WO2022097074A1 - Verfahren und einrichtung zum beheizen von fahrwegelementen - Google Patents

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WO2022097074A1
WO2022097074A1 PCT/IB2021/060249 IB2021060249W WO2022097074A1 WO 2022097074 A1 WO2022097074 A1 WO 2022097074A1 IB 2021060249 W IB2021060249 W IB 2021060249W WO 2022097074 A1 WO2022097074 A1 WO 2022097074A1
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rail
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heating
temperature
time
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PCT/IB2021/060249
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Inventor
Wolfgang Reinker
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Esa Elektroschaltanlagen Grimma Gmbh
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
    • E01B7/00—Switches; Crossings
    • E01B7/24—Heating of switches
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications
    • H05B1/023—Industrial applications
    • H05B1/0236—Industrial applications for vehicles

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for heating track elements, in particular switches, in winter primarily to keep snow and ice free, consisting of a fixed stock rail and movable tongue rail as well as a sliding chair and locking compartment by means of inductive and/or ohmic heaters.
  • points To prevent the moving parts of points from freezing at low temperatures, as well as ice and snow, they are heated with point heaters using electrical or other heating elements on the rails.
  • the most modern type is the electrical points heating.
  • mainly inexpensive ohmic heating elements with a connection head are used on the rails of the points.
  • all types of points can be equipped with heating elements at an economical cost. Heating is required when there is snow in the switch, low ambient temperatures and when there are chunks of ice or hoarfrost between the moving components of the switch.
  • the electric point heaters are designed with weather-dependent central control and regulation by running one or more electric heating outlets with heating elements connected to them for each point according to the point size.
  • the heating elements are preferably arranged on the fixed stock rails and in the switch lock and are designed as ohmic heating rods with resistance wire or as heating strips with a connection head.
  • all heating elements of the system are switched on centrally via a control unit and switching devices and during the heating-up time the rail temperature is reduced to a parameterised target rail temperature , Eg + 7 °C heated and after reaching the target rail temperature on at least one guide switch controlled by two-point or constant temperature control by central switching devices on and off via a central rail temperature sensor to the target rail temperature.
  • a parameterised target rail temperature Eg + 7 °C heated and after reaching the target rail temperature on at least one guide switch controlled by two-point or constant temperature control by central switching devices on and off via a central rail temperature sensor to the target rail temperature.
  • Another disadvantage is the uneven use of power, which is between zero and 100% of the connected load of the entire point heating in the case of two-point control, for example, as well as the energy consumption due to the time and amount of overheating and underheating of the point components and the resulting functional deficits in extreme weather.
  • EP 3 204 830 B1 discloses a system and method for temperature control of railroad switches based on weather data.
  • weather data is retrieved, analyzed and a chronological sequence of target temperatures is determined depending on the probability.
  • the disadvantage is that the setpoint temperatures are determined by probability and the temperature schedule with these setpoint temperatures applies to each point heating, so that the entire points heating and thus all points with the heating deficits already described are controlled.
  • a method and a device for energy management for electrical points heating are known from PCT/EP2009/002553.
  • groups are formed for the heating elements and these are activated one after the other in a circumferential manner, and as a result and by changing the group assignment, uniform heating is achieved depending on the control deviation.
  • the disadvantage is that local warming deficits are not recognized and avoided.
  • a snow melting device with electromagnetic induction heating is known from DE 43 38 750 A1.
  • This includes cables arranged on the rail web and a high-frequency generator, which generates an alternating current for the cables with a constant frequency and thus heats the rails.
  • the through holes required in the rails are disadvantageous.
  • EP 2 720 513 B1 discloses an inductive switch and/or rail heating device with inductors on the web of the rail and an HF generator with an adjustable frequency or pulse width.
  • the generator is operated by periodic oscillation functions and is designed without an oscillating circuit and without a resonant circuit.
  • the output of the generator is controlled depending on an algorithm between an upper and lower temperature limit value or with constant, manually variable or map-controlled output. Disadvantages are the high expenditure on filters and thus costs due to the variable square-wave voltage of the generator with DC intermediate circuits and the arrangement of the inductors on two parallel ones Rails of a switch where the first and last inductor are connected to the generator to avoid losses and both rails are heated with the same power.
  • EP 3 169 138 A1 discloses an inductive heating device with adaptive multi-point temperature control with a ramp-like increase in the power of the generator to avoid thermal overload and high currents when the aforementioned application is switched on.
  • inverters with upstream rectifiers have a complex input resistance and are therefore not meaningfully recognized by measuring circuits for ohmic resistances.
  • a first object of the invention is a method and a device for the needs-based heating of all functionally relevant components of the switches in winter with optimal energy consumption, uniform performance and economic acquisition and operating costs by means of inductive and ohmic heating elements, the inductive devices being structurally similar to the ohmic devices should be state-of-the-art and therefore compatible or supplementary to the technical documents for point heaters available on the railways (e.g. equipment lists for points with ohmic heaters).
  • the object of the invention is to ensure that the functionally relevant components of the points are kept free of snow and ice in winter under all weather conditions, in particular in extreme weather with low temperatures, sudden falls in weather and wind, with uniform use of power and to avoid heating deficits in terms of time and amount To avoid faults caused by failure of heating elements and to do so at an early stage Generate alerts when these goals cannot be achieved.
  • the solution should be suitable for resistive and inductive methods and compatible with the technical regulations in place for railways, as well as suitable for retrofitting conventional systems and mixed operation, and greater availability of the points in winter without increasing the connected load of the existing infrastructure compared to the state of the art be reached.
  • this object is achieved by a method for heating track elements (1) which, as components (10), have at least a left stock rail (5I) and a right stock rail (5r), a left tongue rail (6I) and have a right switch rail (6r) and a left slide chair (7I) and a right slide chair (7r) as well as a left support cleat (8I) and a right support cleat (8r) as well as a switch lock (15), wherein for at least two components (10 ) of the guideway element (1) at least one heating element (9) is arranged, i) a generator (32) for supplying the at least one heating element (9) designed as an inductor (16, 17, 18, 19, 21) with alternating current for electromagnetic induction is provided, and/or ii) an oscillation packet control (87) fed by a voltage source (62) for supplying the at least one heating element (9) designed as an ohmic heater (20) with alternating current for the oh mechanical heating is provided, characterized in that the control / regulation
  • the track element (1) is simply referred to below as a “switch”, without restricting the invention to this.
  • a special advantage of the arrangement of at least one heating element (9) on at least two components (10) is that they are heated evenly by controlling/regulating the respective rail temperature (-9) with the minimum required power and thus increasing the availability of the points (1) in winter especially in extreme weather without increasing the connected load with consistent output.
  • a special advantage of the generator (32) with self-oscillating oscillating circuit (resonance principle) is controlling / regulating the power of inductive heaters (1 15) via restart delay (tv) in the current zero crossing, with which a large power range down to a few volts mains voltage is made possible and thus the system appears on the mains like an ohmic load resistance, independent of the mains frequency and the set power, free of harmonics and with a power factor cos phi between 0.99 and 1, without the need for additional devices or assemblies.
  • a special advantage of the oscillating packet control is the uniform control / regulation of the rail temperature with the minimum required power using ohmic heaters (20) and use of the free power for additional ohmic heaters (20) and thus a continuous load profile during heating.
  • a special advantage is that without additional sensors on points (1), function-relevant data can be determined prognostically, which takes into account all disruptive influences and also includes positions on the points (1) that are only heated indirectly via heat conduction, which varies greatly depending on the weather .
  • Knowledge of the parameters is a prerequisite for avoiding heating deficits, the result of which is a switch (1) that can no longer be adjusted, and heating surpluses, the result of which is energy wastage.
  • an active power (pack) can be adjusted between a minimum power and a maximum power for the at least one heating element (9) and via multiple calculations in the heating network simulator (40) and gradual adjustment of the active power (pack) in a power controller (41) are determined until the at least two components (10) of the guideway element (1) reach the desired rail temperature (Osoii) and/or minimum rail temperature (ö min ) at the same time and/or within a predetermined and/or calculated maximum heating time ( tx) reach.
  • a special advantage is that with the proposed solution, the functionally relevant components (10) of the switch (1) reach the target parameters at the same time and regardless of the weather, and thus heating deficits for the function of the switch can be avoided and thus a higher availability is achieved without increasing the connected load.
  • the heating network simulator (40) is given forecast data (106) from a weather service for a period of time, preferably 24 hours, with a time interval (119), preferably of 1 hour, and these are replaced by simultaneous measured values from the local weather station ( 30) are replaced, and from this the time profiles of the rail temperature (S ) and the heating-up time (tx) for the period with a time interval (1 19), preferably of 1 hour, are determined for the at least two components (10) of the guideway element, and if during the heating-up time (tx) the target rail temperature (-ösoii) and/or minimum rail temperature (Smin) cannot be reached in at least one time interval (1 19), a minimum target rail temperature (Ssoiimin) and a minimal required active power (package) is determined and the minimum required active power (package) for the at least one heating element (9) is activated, so that the minimum rails wholesomem temperature (ö S oii min) before the time of the event with the respective time interval (1 19) is
  • a special advantage is that, especially in the event of snowfall or drifting snow or extreme weather conditions, the components (10) of the switch (1) are preheated to low temperatures with low power, so that when the event occurs, the time lost until the target temperatures are reached due to extremely low ambient temperatures and/or of the required heat of fusion and vaporization is avoided, thereby ensuring that when the event occurs, the target rail temperatures (ö S oii) and/or the minimum rail temperatures (ö min ) are reliably reached on the components with the available power.
  • g) Generating a warning before the Erei arrives gnisses, f1) if the heating-up time of the at least two components (10) is greater than the maximum heating-up time f2) if the rail end temperature of the at least two components (10) is lower than the target rail temperature.
  • the components (10) on the left side (2) and the right side (3) of the switch (1) are heated differently depending on the position of the tongue rail (6) in relation to the stock rail (5), whether it is on or off the latter.
  • the power of all heating elements is usually controlled according to the lowest temperature in two-point control. This wastes energy because one component is heated normally and the other is overheated.
  • the advantage of the proposed solution is that the active power for the heating elements (9) is continuously adjusted by detecting the position of the tongue rail (6), and thus each component (10) is heated as required. This avoids overheating and with the power saved, the operating limit of the points heating is increased with the same connected load.
  • Another embodiment provides that at least this heating element (9) is switched off in order to avoid malfunctions due to the failure of a heating element (9) on at least two components (10) on the left side (2) and right side (3) of the track elements (1). and the adjacent heating element (9) is activated with maximum power (P max ) and a maintenance message is generated.
  • P max maximum power
  • the position of the tongue rail lying apart (76) and the tongue rail lying close (77) and assignment of the model parameters to the left side (2) and right side (3) in the heating network simulator (40) can be determined by evaluating the inductance of at least one inductor (16 ) take place.
  • the special advantage is that the power of the heating elements (9) can be controlled/regulated as required without additional sensors and the associated higher installation and maintenance costs, and a uniform use of power is achieved.
  • a device for heating track elements (1) which, as components (10), have at least a left stock rail (5I) and a right stock rail (5r), a left switch rail (6I) and have a right tongue rail (6r) and a left slide chair (7I) and a right slide chair (7r) as well as a left support catch (8I) and a right support catch (8r) as well as a locking compartment, at least one heating element (9) each being arranged for at least two components (10) of the guideway element (1), i) a generator (32) for supplying the at least one as an inductor (16, 17, 18, 19, 21) executed heating element (9) is provided with alternating current for electromagnetic induction, and/or ii) an oscillation packet control (87) fed by a voltage source (62) for supplying the at least one heating element (9) designed as an ohmic heater (20) with alternating current for ohmic induction Heating is provided, characterized in that the generator (32) is designed with a uniform power
  • a special advantage is that no project-specific adjustments of the power of the generators (32) to the size of the respective points (1) are required and standard types are proposed that fit into the existing equipment specifications of the railways with ohmic heating elements and are manufactured and operated with economic effort , stored and maintained.
  • the upper power limit is determined, for example, by the maximum power for a heating output of 15 kW in the prior art, and the preferred power of 2 kW is determined by the heating element used on the railway with the greatest power of, for example, 1.5 kW plus a power reserve determined by 0.5kW.
  • This device can advantageously be designed in such a way that for the at least one heating element (9) there is an inductive control circuit (35), consisting of a comparison element, controller (44), power limiter (51), power quantifier (52), generator (32) and actuator (78), inductor (16) and/or an ohmic control circuit (34) consisting of a comparison element, controller (44), switch-on delay (48), oscillating packet control (87) and actuator (78) ohmic heater (20) is available and during the control process, the active power of the actuator (78) can be adjusted via power control (41) and limited via power limitation (51) and the reference variable active rail target temperature (3 So n a kt) can be adjusted via power control (41) and heating element sensor ( 37) or rail temperature sensor (25) via communication (43, 102, 45) with the comparison element of the control circuit (34, 35), the control unit (23), forecast computer (101) and heating network simulat or (40) connected, and the heating network simulator (40) is connected to a forecast computer
  • a special advantage is the formation of control circuits for ohmic and inductive heating elements (9) with the same structure and thus for possible mixed operation and needs-based control of the rail temperature and power of the actuators without additional external sensors while maintaining the maximum power and a uniform time profile of the rail temperature of the components ( 10) with consistent performance and low energy consumption and increased availability in extreme weather conditions by preheating with time-staggered minimum required target rail temperature (command variable) and minimum performance for each control circuit with consistent overall performance, so that when the event occurs, the target rail temperatures at all components are achieved safely and simultaneously and deficits are avoided.
  • the inductor body (80) is made from an extruded fiber profile with a preferably the same length (L) as the ohmic heater (20), and/or the actuator consists of an oscillating packet control ( 87) and at least one ohmic heater (20) and the active power (Pakt) by changing the switch-on time by switch-on delay time (tv) during each oscillation period (SD) from power control (41) and switch-on delay (48) in the control circuit (34, 35) he follows.
  • Dividing the resonance capacitor (70) halves the ripple current on the input side and thus halves the high-frequency mains reactions without filtering.
  • the high-frequency current is halved and a significant reduction in loss and size is achieved.
  • Voltages higher than the mains voltage are not generated, so that the inductors (16) high performance can be achieved with economic effort, avoidance of line losses by connecting several inductors (16), including different ones, in series via one line each in the manner of a chain of lights to a generator (32) without a separate return line,
  • At least one heating element sensor (37) with energy harvesting (29) and communication (43) for detecting the rail temperature (-9) can also be arranged in an inductor body (80) and/or connection head of an ohmic heater (20).
  • a special advantage is the recording of the actual rail temperature without additional expenditure on line and maintenance costs for acquisition, assembly, maintenance and repair.
  • an inductor (16) encloses the component (10) on both sides by means of a U-shaped angled connection head attachment (91) via a recess or projection present on the inductor, e.g. via inductor connection (98), and resiliently on the rail foot flexible bolt is attached.
  • the power of the heating elements (9) can be adjusted via inductive and ohmic actuators, in that, in the case of ohmic actuators, the duty cycle of oscillation packet control is implemented via restart delay (tv) within the oscillation period, and in the case of inductive actuators, the generator for powering the inductors is designed with a resonant circuit in a half-bridge circuit, and the power is changed by means of the restart delay (tv) of the half-bridge switches,
  • V in the case of predicted deficits in terms of time and/or amount of the actual rail temperature compared to the target rail temperature or minimum rail temperature, determining a minimum active power and a minimum target rail temperature and activating them in the respective control circuit, so that before the event occurs, the maximum heating time and/or all heating times are achieved and maintained simultaneously on all components,
  • the proposed generator acts like an ohmic consumer on the mains and can therefore be easily recognized and valued by measuring circuits for ohmic resistances and can thus be easily integrated into the existing infrastructure for ohmic heaters (20).
  • the generators (32) are designed with a uniform rated power (P N ) between 5 kW and 1 kW, preferably with a rated power (P N ) of 2 kW and a frequency of 10 kHz to 40 kHz
  • small and economical inductors ( 16) can be used and thus heating deficits can also be avoided at these points.
  • the inductors (16) are designed with an inductor winding (33) and heating element line (89) for connection to a generator (32) and a second inductor winding (38) within an inductor body (80) for connecting several inductors to a generator in series connection
  • an inductor winding (33) serves as a forward line
  • a second inductor winding (38) serves as a return line when a plurality of inductors (16) are connected in series, thereby avoiding losses.
  • the inductors (16) are designed airtight in an inductor body (80), preferably made of fiber composite material with a single or multi-layer inductor winding (33), and by means of a known connection head attachment (91) at the foot of the stock rail (5) or tongue rail (6) directly by means of Connection head attachment (91) or via additional slide chair holder (92) on a side surface of the slide chair plate (7) in the longitudinal direction of the rails, secured against displacement and pressed against the components (10) of the points (1) by means of clamps (97).
  • an inductor body (80) preferably made of fiber composite material with a single or multi-layer inductor winding (33)
  • connection head attachment (91) at the foot of the stock rail (5) or tongue rail (6) directly by means of Connection head attachment (91) or via additional slide chair holder (92) on a side surface of the slide chair plate (7) in the longitudinal direction of the rails, secured against displacement and pressed against the components (10) of the points (1) by means of clamps (97).
  • ohmic heaters (20) e.g C and/or E ferrite core wound and cast in an inductor body (80) together with one end of the heating connection line (89) and connected in series with one another and with a generator.
  • FIG. 1 sectional view of a switch (1) with switch lock (15) and components (10) left side (2) and right side (3) of the switch (1) with heating elements (9) according to the prior art
  • FIG. 1 2 sectional view of a switch (1) according to FIG. 1 with positions (46) on the components (10), for example on a switch segment (50) of the switch tip (82),
  • FIG. 4 block diagram of an inductive points heating (11) according to the invention
  • FIG. 5 block diagram of an ohmic points heating (109) according to the invention
  • Fig. 6a exemplary representation of the forecast data (106) and output data (110) of the heating network simulator (40),
  • Fig. 6b exemplary data record (111) output data (110) at time intervals (120) for the heating network simulator (40),
  • Fig. 6c example of the rail temperature (S) over time at positions (46) of the stock rail (5) and tongue rail (6)
  • FIG. 11a exemplary switching sequence of the two half-bridge switches (68,69) of the generator (32) without restart delay
  • FIG. 12b exemplary embodiment of inductor body (80)
  • Fig. 13 exemplary overview plan of a point heating prior art
  • Fig. 14 exemplary overview plan of a point heating according to the invention
  • Fig. 15 exemplary embodiment of inductor slide chair (17)
  • FIG. 15a exemplary design inductor slide chair (17) with C ferrite core
  • FIG. 15b exemplary design inductor slide chair (17) with E ferrite core
  • FIG. 17 Top view of a slide chair at the point of the points
  • Fig. 17b sections C-C according to Fig. 17
  • heating elements 9 are arranged on the stock rail foot 5f and switch lock 15 on the stock rail 5I of the left side 2 and on the stock rail 5r of the right side 3 of the switch 1 .
  • the heating elements 9 are heating strips or ohmic heaters 20 with resistance heating wire in fixed lengths, for example 2.87 m, 3.72 m and 4.7 m long and uniform specific power P s per meter of length L, for example 330 watts per meter.
  • the tongue rail 6I of the left-hand side 2 of the switch 19 is shown lying on the stock rail 5I, for example, and the tongue rail 6r of the right-hand side 3 of the switch 1 is shown lying on the stock rail 5r on the right.
  • the position of the tongue rail is continuously adjusted depending on the train traffic via the points drive (not shown) and the locking compartment linkage. Due to the different distances between the tongue rail 6 and the stock rail 5 depending on the position of the tongue rail and the design-related different masses in the longitudinal direction of the switch 1, there are considerable heating differences on the individual components 10 of the switch 1 during heating operation in winter. This applies above all to the tongue rails 6, in particular the tongue rail lying off 76 and the tongue rail tip 6s and the sliding chairs 7 as well as the support lugs 8. In modern roller sliding chairs 61, the tongue rail lying off 76 is lifted and this further worsens the heat conduction from the heated stock rail 5 and it comes to freeze the tongue rails 6 and thus block the switch 1.
  • FIG 2 the sectional view of the switch 1 according to Figure 1 is shown as an example of the switch segment 50r switch tip 82 with tongue rail lying off 76 and tongue rail lying against 77 and indication of the positions 46 stock rail foot 5f stock rail head 5K tongue rail head 6K, tongue rail foot 6F, Center slide chair 7m, slide chair outside 7a , support brackets 8 and switch lock 15, the rail temperature of which is decisive for the availability of the switch in winter.
  • a central rail temperature sensor 25 is arranged on a guide switch on a stock rail 6, shown here on the left side 2 under the base of the stock rail 5 at switch rails, for regulation. The heat is transferred to the other components 10 of the switch via thermal conduction.
  • the components 10 shown hatched on the left-hand side 2 and the right-hand side 3 are heated differently. In the heating mode, there are therefore always temperature differences with the prior art.
  • the switch in winter it is important that the snow is completely melted and that no snow or ice prevents the moving switch rail from reaching the end position on the stock rail when it is necessary to adjust the moving switch rail for operational reasons does not freeze to the support lugs 8 and/or to the slide chairs 7 and/or to the stock rail head 5k.
  • the aim of the invention is also to ensure that at least a minimum rail temperature of e.g. 1°C is reliably reached at all designated positions 46 of the switch without additional external sensors with the available connected load, regardless of any disturbance variables, and that heating deficits are avoided with economic effort.
  • FIG. 3 shows an example of an inductive switch heating 11 according to the invention for a switch 1 shown as a block with inductive control circuits 35 for the hatched stock rail 5, tongue rail 6 and slide chair 7 on the left side 2 and right side 3.
  • the inductive point heating 11 consists of a local weather station 30 with precipitation sensor 24, air temperature sensor 26 and central rail temperature sensor 25 for forming input data 105, and weather service 49 for generating weather service data 103 for the forecast computer 101 and voltage source 62 and power distributor 22 with control unit 23, switching device 27 for one heating outlet 60, forecast computer 101 for generating forecast data (106) from weather service data 103 and input data 105 and communication control unit 31, with one heating outlet 60 of the power distributor 22 being connected to the connection box 58 via heating outlet line 28.
  • FIG. 3 shows a connection box 58 for each of the left side 2 and right side 3 of the switch 1, for example.
  • connection box 58 there are communication connection box 45, heating network simulator 40, power control 41, rectifier 47, inductive control devices 54 with controller 44 and generator 32 and power limitation, not shown, which are connected via respective connection line 59 with inductor stock rail 18, inductor reed rail 19 and two connected in series Inductors slide chair 17 connected to the left side 2 and right side 3 of the switch 1 and each form separate control circuits 35 shown in dashed lines, which are connected to each other and to the power controller 41 via bus 53 .
  • forecast data 106 with time resolution are generated in forecast computer 101 and transmitted to heating network simulator 40 via communication control unit 31 and communication junction box (45).
  • the heating network simulator 40 supplies output data 1 10 in the form of time profiles of the rail temperature 3 for the positions 46 according to FIG. 2 and the respective heating-up time t x until the respective rail target temperature £ S oii or rail minimum temperature 3 min is reached with a forecast time 117 at a time interval 119 of, for example, one hour for each position 46 of the illustrated stock rail 5, tongue rail 6 and slide chair 7 on the left side 2 and right side 3 to the power control 41.
  • the reference variables active rail setpoint temperature Ssoii akt or active rail minimum temperature ö min a kt and the active power Pakt for each forecast time 117 and each control circuit 54 are determined by repeated calculation with the heating network simulator 40 with the aim of minimum active power Pakt to achieve all reference variables in the same heating-up time t x or maximum heating-up time t xmax with uniform overall power.
  • the stock rails 5 on the right-hand side 3 are set to the active target rail temperature ösoii, e.g. from ⁇ 1° C. and on the left-hand side (2) to 0° C. within this heating time t x preheated so that the determined active rail target temperature ö S oii akt is reached before the time of the event.
  • At least one inductor 16, for example inductor stock rails 18 in Figure 3, on the right-hand side 2 and the left-hand side 3 of the switch 1 can be integrated with a heating element sensor 37 for detecting the rail temperature 3 and/or the position of the tongue rail 6 in the inductor 16, which is in each case supplied with energy via energy harvesting 29, for example by inductive coupling, and via communication heating element sensor 43 transmits the data to the heating network simulator 40 in a connection box 58 and thus the assignment of the movable position Tongue rail adjacent 77 and tongue rail off 76 to the left side 2 and right side 3 of the points 1 in the heating network simulator 40 are continuously updated and the calculation of the rail temperature (-ösoii) is corrected in these.
  • FIG. 3 also shows a rail temperature sensor 25 with communication rail temperature sensor 102 on each of the stock rails 5 on the left side 2 and right side 3 by way of example, via which the rail temperature 3 is recorded and transmitted to the heating network simulator 40 .
  • the inductors 16 on the stock rails 5 and tongue rails 6 are, for example, with the same specific power P s , preferably approx Power reserve and the generators 32 with a uniform power corresponding to the rated power PN of the ohmic heaters 20 of the respective railway company plus a power reserve, preferably with a rated power PN of 2 kW, and the respective maximum power Pmax of each generator 32 depending on the inductors 16 connected to it in the heating network simulator 40 limited .
  • Figure 4 shows an example of the block diagram for inductive point heating 11 with power distributor 22 and control unit 23 present therein, communication control unit 31 and forecast computer 101, which receives input data 105 from a local weather station (not shown) and weather service data 103 from weather service 49 via control unit 23, and with a junction box 58 and heating network simulator 40 arranged therein, power control 41, control device 54 with controller 44, power limiter 51, power quantifier 52 and generator 32 as well as communication connection box 45, and with the control system 100 present on the switch 1 with inductor 16 and component 10 as well as measuring devices 108, consisting of Heating line sensor 37, rail temperature sensor 25, communication heating line sensor 43 and communication rail temperature sensor 102 are shown, with control device 54, controlled system 100 and measuring device 108 forming an inductive control circuit 35 for at least one component 10.
  • Forecast data 106 for, for example, 24 hours with a time interval 119 of, for example, one hour are generated in the forecast computer 101 and transmitted to the heating network simulator 40 and to the power controller 41 .
  • 24 input values per forecast time 1 17 are continuously transferred to the heating network simulator 40 .
  • All climatic values that are measured at the weather station 30 replace the weather service data 103 of the current forecast time 117 in the respective data record 11 1 . If, for example, a wind sensor is present in the weather station 30, the currently detected wind speed replaces that corresponding instantaneous value of the weather service data 103 and the other weather service data 103 are further used.
  • the output data 110 of the heating network simulator 40 are time profiles of the rail temperature 3 for the positions 46 of the components 10 shown in FIG the power control 41 are handed over.
  • the power controller 41 has the task of determining the reference variable active rail target temperature ö S oii akt and the active power Pakt required for each inductive control circuit 35, with which the components 10 reach the respective reference variable at the same time or within a heating time t x and up to at the end of a heating request 75 regardless of the weather and switch position by specifying the respective command variable and limiting the power of the actuator 79 to the respective active power Pact on power limitation 51 in the inductive control circuit 35s and organization of power exchange taking into account the maximum total power for the switch 1 , the For example, the connected load P A corresponds.
  • step 1 12 The forecast data 106 are analyzed with regard to weather events and the results are classified. After this step, the conditions are fixed at which prognosis time 1 17 which target rail temperatures £ S oii or minimum target rail temperatures ö S oii min must be reached. For example, if heavy snowfall is forecast by the weather service in three hours, the stock rail should be preheated to minus one degree Celsius in two hours so that the target rail temperature is reliably reached and maintained during the heating time t x when the event occurs.
  • Second step 1 13 In this step, the power controller 41 determines the minimum power required, which corresponds to the active power pact of the actuator 79 for the inductive control circuit 35, so that the rail target temperatures ösoii or minimum rail target temperatures ⁇ soii determined from step one min within one or the same heating time t x is reached.
  • Third step 114 limit the power of the actuator 79 to the determined active power pact and specify active rail target temperature ö s oii akt or minimum rail target temperatures ösoii min akt.
  • the active power Pact for power limitation 51 of the inductive control circuit 35 determined in the power controller 41 is transmitted and, if necessary, adjusted in stages via power quantification 52 .
  • the minimum required power corresponds to the active power pact of the actuator 79, in which the manipulated variable is limited to this value by means of power limitation 51.
  • the active power pack is determined by repeated calculation of the heating network simulator 40 and gradual adjustment of the active power pack until all components 10 of the switch 1 have the active rail target temperature ö S oii akt and/or rail minimum temperature 3 min in a specified or the same reach heating time t x .
  • the power P of each actuator 79 can be changed during the control process between 0% and 100% by power limitation 51 in the range 0 to 1 between minimum and maximum value and can be varied in predefined stages via power quantification 52.
  • the assignment of the position of the movable tongue rail close 77 or tongue rail lying 76 to the left side 2 and right side 3 of the switch 1 takes place in the heating network simulator 40 by evaluating the measured values of the heating element sensors 37 or rail temperature sensors 25 or evaluating the inductance of the inductors 16, which vary depending on the position of the movable tongue rail 5 changed by changing the permeability.
  • the active power Pact of the respective generator 32 up to the maximum power P max of the inductor 16, which corresponds, for example, to the nominal power P N plus the power reserve, at the expense of other inductive control circuits 35 of the switch 1 increased in compliance with the connected load PA.
  • FIG. 5 shows a part of the block diagram for an ohmic points heating 109, the function blocks of which change compared to the inductive points heating 11.
  • the unchanged function blocks are not shown:
  • connection box 58 there are ohmic control circuit 34 for the heating of the component 10 of the switch 1, consisting of ohmic control device 55 with controller 44, switch-on delay 48 and oscillation package control 87 and controlled system 100 with ohmic heater 20 on component 10, as well as power control 41 and heating network simulator 40, not shown and communication junction box 45 available.
  • the task of power control 41 is to determine the command variable active rail target temperature Ssoii akt and the active switch-on delay tEV akt required for this for ohmic control circuit 34, with which components 10 reach the respective command variable at the same time or within a heating time t x and by End of a heating request 75 independent of the weather and point setting by specification the respective command variable and limitation of the power of the actuator 79 to the respective active power Pakt by means of an active switch-on delay tv akt for the switch-on time ED of an oscillation packet control 87 in the ohmic control circuit 34, taking into account the maximum total power for the switch 1, which corresponds, for example, to the connection power P A .
  • the power controller 41 works in a three-stage process analogous to Fig. 4 with the following changes: second step 1 13 In this step, the power controller 41 determines the minimum required power and the switch-on delay IEV required for a switch-on period ED within the oscillation packet period SD of the actuator 79 for the Ohmic control loop 34, so that the active rail target temperatures Ssoii akt determined from step one or minimum rail target temperatures are reached within one or the same heating time t x .
  • Third step 1143 limit manipulated variable 79 to the determined switch-on time ED and specify the active desired rail temperature ö S oii akt. For this purpose, the switch-on delay IEV determined is transmitted to the delay element 48 and the switch-on duration ED is thereby set within the oscillation packet duration SD.
  • the switch-on delay t EV is determined by repeated calculation of the heating network simulator 40 and gradual adjustment of the active switch-on delay tEVakt until all components 10 of the switch 1 have the active rail setpoint temperature ösoii akt and/or active rail minimum temperatures ⁇ soii min akt in a specified or achieve the same heating-up time t x with minimum power while maintaining the connected load.
  • additional ohmic heaters 20 or other adjacent ohmic heaters 20 are activated with the available power difference, taking into account the connection power P A .
  • FIGS. 6a to 6d The step-by-step formation of the output data 106 generated in the heating network simulator 40 is shown in FIGS. 6a to 6d.
  • FIG. 6a there are excerpts of six prognosis data 106 from the heating network simulator 40 and the output data 110 determined from them for tongue rails adjacent 77 and tongue rails off 76 with details of the respective positions 46 for stock rails foot 5f, stock rail head 5K, tongue rails foot 6F, tongue rail head 6K slide chair Center 7 M and outer slide chair 7 A of a switch segment 50 of the switch 1, of a total of, for example, 12 possible Output data 110 shown.
  • the temperature curves over time are very different.
  • the resulting heating deficits are avoided according to the invention by adjusting the power P of the actuators 79 ohmic control circuits 34 and inductive control circuits 35 over the entire time.
  • the current rail temperature 3 is transferred to the heating network model as an individual value and all other variables as forecast data 106 for 24 hours with a time resolution of 1 hour.
  • the heating network simulator 40 is therefore always given 24 forecast values for each forecast time 117 . All climatic values that can be measured on the system are replaced as instantaneous values in the respective data record 11 1. If, for example, a precipitation sensor with detection of the amount of precipitation is installed, this can be used as an instantaneous value. If, for example, there is no wind sensor, the wind speed from the current weather service data 103 from the weather service 49 can be used.
  • the time curves of the rail temperature 3 for 24 hours with forecast time 117 at an interval of 1 hour for the adjacent tongue rail 77 and the remote tongue rail 76 are supplied in the heating network simulator 40.
  • two curves of the rail temperature 3 are shown for tongue rail adjacent indices on and for tongue rail off indices ab for the positions 46 stock rail foot 5F, stock rail head 5K, tongue rail foot 6F and tongue rail head 6K.
  • the forecast data 105 are analyzed with regard to weather events and the results are classified.
  • the conditions are fixed at which point in time which minimum target rail temperatures 3 min So ii must be reached. For example, if heavy snowfall is expected in 3 hours, the stock rails 5 of the switch 1 should be preheated to a calculated -1 °C and the slide chairs 7 to a calculated -3 °C in two hours, for example.
  • the active power package is determined so that the minimum target rail temperature determined from the first step 112 is reached 3 min SO II before the time of the event.
  • the active power Pakt corresponds to the minimum power required to, for example, heat the components 10 of the switch 1 with a rail temperature 3 of ⁇ 1° C. in a heating time t x of less than, for example, two hours to the target rail temperature ösoii.
  • the manipulated variable of the actuator 79 is limited to the active power pact and the active rail setpoint temperature 3 So n a kt is specified as a reference variable.
  • FIGS 7a to 7c the determination of the active power Pact for inductive control circuits 35 with power quantification 52 for reaching the rail target temperature ösoii at three positions 46 of the switch 1 within a predetermined time t x is shown.
  • Position p1 is assigned, for example, to stock rail foot 5t, position p2 to switch rail foot 6t and position p3 to slide chair center GM, for example at the point tip.
  • the active output Pakt is calculated by repeated calculation in the heating network simulator 40 with gradual adjustment of the active output Pakt in e.g .
  • an active power Pact of 25% is started for all control loops.
  • the target rail temperature is only reached at position p1 by time t x-Pi .
  • positions p2 here, for example, the foot of the tongue rail and at position p3, here, for example, the position in the middle of the slide chair, the target rail temperature x>soii will not be reached within a specified time tx with 25% of the power P and the heat-up time fails.
  • the active power Pact of the control loops 359 for heating the components corresponding to positions p2 and p3 is increased to 50%.
  • the result of the calculation with 50% active power Pakt shows that at position p2 the target rail temperature x>soii is reached in the heating-up time tx and at position p3 the target rail temperature x>soii for the specified heating-up time tx is not reached and thus this heating-up time fails.
  • the active power Pact of the control circuits 35 for heating the components corresponding to the positions p3 is increased to 75%.
  • the result of the calculation with 75% active power Pakt shows that the target rail temperature ⁇ soii is reached at position p3 in the heating-up time tx and thus all positions reach the target rail temperature x>soii in the specified heating-up time tx.
  • the active power Pakt is selected such that all positions 46 reliably reach the target rail temperature ö S oii or the rail minimum temperature 3 min within the specified heating-up time tx. This is the case, for example, when the heating element is arranged at the foot of the rail and a minimum rail temperature of, for example, +1 °C is to be guaranteed at the rail head. In this case, warming deficits at the functionally relevant components 10 of the switch 1, for example on the rail head, which is not directly heated, are avoided.
  • Figures 8a and 8b is an example of such a system with determination of the active power P a ktT for three control circuits 35 (not shown) without power quantification with heating elements on the components (not shown) stock rail, tongue rails and slide chair and adapting the power of each control circuit to achieve the rail Target temperature ö S oii at the positions p1, p2 and p3 and reaching the minimum rail temperature 3 min at the other positions p4 and p5 of the same components 10 within the heating time t x .
  • Position p1 is, for example, at the stock rail foot position, position p2 at the tongue rail foot, position p3 at the center of the slide chair, position p4 at the stock rail head and position p5 at the tongue rail head of the stock rail or tongue rail, for example .assigned to the middle of the switch.
  • the required active power Pact for reaching the target rail temperature ö S oii is calculated for each control circuit 35 using the connected load PA (not shown). For example, the active percentage active power of 70% is determined for position p1, the power of 100% for position p2 and the power of 120% in the heat network simulator 40 for position p3. With these outputs, the desired rail temperatures ö S oii are reached at positions p1, p2 and p3 in diagram FIG. 8a for the heating time tx. The minimum rail temperature of 3 minutes at position p4 is also reached during the heating time tx, but the minimum rail temperature of 3 minutes at position p5 is not reached during the heating time tx (fail).
  • the percentage active power Pact of this control circuit for tongue rail foot with position p2 is therefore increased from 100% to 110%. This means that for position p2 the target rail temperature x>soii is reached before the heating time tx and at the tongue rail head the rail minimum temperature is reached 3 minutes before the heating time tx.
  • the simultaneous achievement of the target rail temperature ö S oii by changing the switch-on time ED by means of a variable switch-on delay tv within the oscillation packet duration SD of an oscillation packet control 87 is shown as an example for a point heating system with an ohmic control circuit 34 .
  • an oscillation packet duration SD of, for example, one minute and a respective switch-on time ED of zero to 1 minute per oscillation packet duration SD the power P for each control circuit 34 can be set between zero and 100%.
  • Figure 10 shows the block diagram of a generator 32 according to the invention for inductive points heating 11 with a self-oscillating oscillating circuit 73 with the principle of resonance, power stage 67 in a half-bridge circuit with first semiconductor switch 68 and second semiconductor switch 69 and switching the same at the current zero crossing by means of zero-current detector 65 between oscillating circuit 73 and semiconductor switch 68, 69
  • the power is controlled between zero and 100% by the switch-on delay tv of the semiconductor switches 68, 69 via control logic 66 and the oscillating circuit 73 is made of inductor 16 and splitting up the resonance capacitor 70, and monitoring devices 72 for temperature and current; Voltage, insulation resistance and inductor as well as controller 74 with bus 53, rectifier 47 and voltage source 62 are present
  • Figures 1 1 a to 1 1d is an example of the adjustment of the power of the generator 32 depending on the time profile of the switching states on the first half-bridge switch 68 and second half-bridge switch 69 and the period of oscillation T of the resonant voltage U Res and resonant current I Res in the resonant circuit 73 with and without Restart delay tv between the switching times ts of the half-back switches 68 and 69 shown.
  • the half-bridge switches 68, 69 are switched without a restart delay t v .
  • the first half-bridge switch 68 is switched on with duty cycle ED and switched off at switching time ts2
  • the second half-bridge switch 69 is switched on at switching time t S2 with the same duty cycle ED and switched off at switching time t S4 and this switching sequence is continuously repeated.
  • FIG. 11b shows the time profile of resonant voltage U Res and resonant current I Res as a function of the switching states of half-back switches 68, 69 according to FIG. 11a. From switching time tso the resonant current I Res rises sinusoidally and reverses its polarity at switching time t S2 and ends at switching time t S4 an oscillation with a minimum oscillation period T min and not shown high power of the generator 32 is completed and repeated. The resonant voltage U Res lags behind by 90°.
  • the half-bridge switches are switched with a switch-on delay t v .
  • the first half-bridge switch 68 with duty cycle ED is switched on and switched off at switching time ts2, and after a switch-on delay at switching time t S 2- the second half-bridge switch 69 switched on with duty cycle ED and switched off at the switching time time t S4 and the switching sequence is continuously repeated.
  • FIG. 11d shows the time profile of resonance voltage UR 6S and resonance current I Res as a function of the switching states of half-back switches 68, 69 according to FIG. 11c. From switching time tso, the resonant current l Res increases less sinusoidally and reverses its polarity at switching time t S2 and ends at switching time t S4 an oscillation with maximum oscillation period T max and not shown low power of the generator 32 is completed and repeated.
  • the resonance voltage UR 6S lags behind by 90°.
  • FIG. 12 shows, for example, the attachment of the inductor stock rail 18 to a stock rail 5 by means of a connection head attachment 91 .
  • the connection head attachment encloses the inductor connection 98 on both sides and thus prevents the inductor from slipping in the longitudinal direction of the stock rail 5.
  • the inductor stock rail 18 is pressed over the length L against the web of the stock rail 5 via clamps 97.
  • FIG. 12a shows the design of an inductor 16 with an inductor winding 33 and a second inductor winding 38 by way of example.
  • Inductors 16 can be designed with an inductor winding 33 and with a second inductor winding 39, the current direction of the inductor windings 33, 38 being the same.
  • the inductor 16 with a winding 33 has a connection point 78 with a start and end of the winding on an end face of the inductor 16 .
  • the inductor 16 with an inductor winding 33 and a second inductor winding 38 as shown in Figure 12a has connection points 78 on both end faces of the inductor 16, with an inductor winding 33 actively conducting the alternating current and a second inductor winding 38 actively returning the alternating current and several inductors 16 in series a generator32 can be switched by connecting a connection point 78 of the first inductor 16 to generator 32 and its second connection point 78 to a connection point 78 of the next inductor 16 and the connection points 78 of the last inductor are bridged and thereby the losses from the return line to the generator 32 are avoided.
  • the technical data, such as length L, nominal power P N , specific power Ps of the inductors 16 for stock rails 5 and tongue rails 6 preferably correspond to the current heating elements 9 of the respective railway company, so that they are compatible for equipping the points with heating elements 9 according to the status of technology are.
  • the inductors 16 are e.g. in length L of 2820 mm with nominal power P N 900 watts, length 3770 mm with nominal power P N 1200 watts and length L of 4750 mm with nominal power PN 1500 watts with respective specific heating power Ps e.g. approx. 320 watts per meter of length L.
  • the inductors 16 are with Inductor body 80, inductor winding 33, 38 executed in one or more layers.
  • the inductor body 80 preferably consists of extruded fiber profiles and encloses the inductor winding 33, 38 enclosed therein in an airtight manner.
  • Figure 12b is a sectional view of a coil body 80 for inductor 16 with inductor winding 33, 38 with indication of the respective direction of current flow, consisting of two identical extruded profiles 99 made of fiber composite material with an asymmetrical arrangement of grooves 118 and webs 1 19 with the same dimensions over the width B of the inductor body 80, one layer of an inductor winding 33, 38 being arranged in slots 1 18 with a winding window F and at least two coil bodies 80 being arranged opposite one another in such a way that the webs 119 of the inductor bodies 80 at least partially engage in the slots 1 18 of the other inductor body 80 and thereby fixed and glued together.
  • FIG 13 an overview plan of a points heating according to the prior art is shown as an example with a point 1 with left side 2 (seen from the point of the point) and exemplary position of tongue rail adjacent 77 and right side 3 with exemplary position of tongue rail lying away 76, which is equipped with ohmic heaters 20 on the stock rails 5 between sleepers 4 number 2 to 8 and number 9-16 and on the switch rails 6 between sleepers 4 number 3 to 7 as well as in the lock compartment 15 on the lock compartment plate 90 of the switch 1.
  • weather station 30 with a central rail temperature sensor 25 on a stock rail 5 and precipitation sensor and air temperature sensor 26 and weather service 49 and control unit 23 and a switching device 27 for each switch 1.
  • connection box 58 in which terminals 97 for the parallel connection of the heating elements 20 are arranged, all ohmic heaters 20 are connected to a heating outlet 60 via heating element lines 89 and heating outlet line 28, and if there is a weather-related heating requirement (not shown), the switching devices 27 are operated, for example, in two-point control via the control unit 23 switched synchronously.
  • the control of the target rail temperature e.g. + 7 °C and hysteresis of 4 Kelvin takes place via a central rail temperature sensor 25 on a stock rail 5 on the left side 29 at position 46 stock rail foot 5F between sleeper 4 numbers 1 and 2 on the left side (2) and tongue rail adjacent 77.
  • the rail temperature sensor 25 is arranged on a stock rail 5, so that only at this position 46 and on the left side 2 with e.g ohmic heater 20 equipped components 10 are switched on and off synchronously and the heating differences already described exist.
  • FIG. 14 shows an exemplary overview plan of a point heating system according to the invention with ohmic control circuits 55 and ohmic heaters 20 connected to them via heating line 89 on the stock rails 5 and inductive control devices 54 with inductors for tongue rail 19, inductors for slide chair 17, inductors for switch lock 21 and inductors for support lugs 81.
  • the ohmic heater 20 on stock rails 5 and the inductors tongue rails 9 on tongue rails 6 on the left side 2 and the right side 3 can be individually parameterized with regard to the target rail temperature via control devices 54,55 to the left of the point center 83 and right of the point center 83 and via separate control devices 54.55 adjustable.
  • the inductors supporting lugs 81 on the left-hand side and on the right-hand side are all connected in series and form a separate control loop with an inductive control device 54 .
  • the inductors slide chair 61 and switch lock 21 are connected in series with an inductor tongue rail 19 on the left side 2 and the right side 3.
  • the advantages of this design are uniform heating of the components on the left side 2 and the right side as well as a continuous load profile over the heating time as well Higher availability in extreme weather and avoidance of disruptions due to failure of the ohmic heater or the inductors 19, 81, 81 by switching off the faulty and using the power released as a result by the immediately adjacent heater 20 or inductors and upgrading existing systems to expand the operating limit.
  • Figure 15 shows a section of a switch 1 with sleeper 4 and stock rail 5 with inductor stock rail 20 and tongue rail 6 with inductor tongue rail 19 and slide chair 7 with inductor slide chair 17, which is attached via slide chair holder 92 to stock rail 5 via connection head attachment 91.
  • FIG. 15a a section A corresponding to FIG. 15 shows a slide chair 7 with an inductor slide chair 17 with a C ferrite core and an inductor winding 33 arranged on the side.
  • several C-ferrite profiles with respective inductor windings can be arranged in an inductor slide chair plate.
  • FIG. 15b a sectional view of section B corresponding to FIG. 15 shows a slide chair 7 with an inductor slide chair 17 arranged laterally thereon with two E ferrite cores and two inductor windings 33 with a change in the winding direction after each central web of the E ferrite core.
  • Several E-ferrite profiles with respective inductor windings can be arranged in an inductor slide chair 17 to adjust the output.
  • FIG. 16 shows a section of a switch 1 in a plan view of a stock rail with support lugs 8 and inductor support lug 81 with inductor winding 33 and magnetic flux direction 95 .
  • the inductor support cleat 81 is fastened by means of a not-shown holder and connection head fastening 91 at the base of the stock rail 5.
  • FIG. 17 is a plan view of a slide chair 7 on a point 6 of a switch. Permanent magnets 126 serve to position and fix the respective inductors 122, 123 in place. A rail clamp 124 fastens an inductor connection 98, which is only indicated here.
  • FIG. 17a shows the section D-D from FIG. 17, i.e. a section through the inductor sliding chair rod ferrite 122.
  • This inductor 122 is held on the sliding chair 7 by means of permanent magnets 126.
  • the rod ferrite 127 which is surrounded by an inductor winding 33 , is arranged centrally in the inductor 122 .
  • Figure 17b shows section C-C from Figure 17, i.e. a section through the inductor pot ferrite 123.
  • This inductor 123 is held on the slide chair 7 by means of permanent magnets 126, with the inductor 123 surrounding the pot ferrite 128, inside which the inductor winding 33 is shown.
  • the arrows at reference number 95 indicate the direction of magnetic flux.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beheizen von Fahrwegelementen (1), die als Komponenten (10) zumindest eine linke Backenschiene (5l) und eine rechte Backenschiene (5r), eine linke Zungenschiene (6l) und eine rechte Zungenschiene (6r) und einen linken Gleitstuhl (7l) und einen rechten Gleitstuhl (7r) sowie eine linke Stützknagge (8l) und einen rechte Stützknagge (8r) sowie ein Gleitstuhlfach aufweisen, wobei für jeweils zumindest zwei Komponenten (10) des Fahrwegelements (1) zumindest je ein Heizelement (9) angeordnet ist, wobei i) ein Generator (32) zum Versorgen des zumindest einen als Induktor (16, 17, 18, 19, 21) ausgeführten Heizelements (9) mit Wechselstrom zur elektromagnetischen Induktion vorgesehen ist, und/oder ii) eine von einer Spannungsquelle (62) gespeiste Schwingungspaketsteuerung (87) zum Versorgen des zumindest einen als ohmscher Heizelementes (20) ausgeführten Heizelements (9) mit Wechselstrom zur ohmschen Erwärmung vorgesehen ist. dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung / Regelung der elektrischen Leistung des Generators (32) mit Resonanzschwingkreis durch Variieren einer Wiedereinschaltverzögerung mittels Wiedereinschaltverzögerung (tv) von Halbbrückenschalter (68, 69) nach Stromnulldurchgang des in den wenigstens einen Induktor (16, 17, 18, 19, 21) eingespeisten Wechselstromes erfolgt, und/oder die Steuerung / Regelung der elektrischen Leistung der ohmschen Heizelemente (20) über die Schwingungspaketsteuerung (87) durch Variieren der Einschaltdauer (ED) während Schwingungspaketdauer (SD) erfolgt. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Einrichtung zum Beheizen von Fahrwegelementen.

Description

Verfahren und Einrichtung zum Beheizen von Fahrwegelementen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Beheizen von Fahrwegelementen, insbesondere von Weichen, im Winter vornehmlich zur Schnee- und Eisfreihaltung, bestehend aus fester Backen- und beweglicher Zungenschiene sowie Gleitstuhl und Verschlussfach mittels induktiver und/oder ohmscher Heizer.
Zur Vermeidung des Einfrierens der beweglichen Teile von Weichen bei niedrigen Temperaturen sowie Eis und Schnee werden diese mit Weichenheizungen über elektrische oder andere Heizelemente an den Schienen beheizt. Die modernste Art ist die elektrische Weichenheizung. Dabei werden vorwiegend kostengünstige ohmsche Heizelemente mit Anschlusskopf an den Schienen der Weichen eingesetzt. Mit wenigen Standardtypen verschiedener Länge und spezifischer Leistung von bspw. 320 Watt pro Meter Länge Heizelement können alle Weichentypen mit wirtschaftlichen Aufwand mit Heizelementen ausgerüstet werden. Geheizt werden soll bei Schnee in der Weiche, tiefen Umgebungstemperaturen und wenn sich Eisbrocken oder Raureif zwischen den beweglichen Komponenten der Weiche befinden.
Entsprechend dem derzeitigen Stand der Technik werden die elektrischen Weichenheizungen mit witterungsabhängiger zentraler Steuerung und Regelung ausgeführt, indem für jede Weiche entsprechend der Weichengröße ein oder mehrere elektrische Heizabgänge mit daran angeschlossenen Heizelementen ausgeführt werden. Die Heizelemente werden vorzugsweise an den festen Backenschienen und im Weichenverschluss angeordnet und sind als ohmsche Heizstäbe mit Widerstandsdraht oder als Heizbänder mit einem Anschlusskopf ausgeführt. Bei einer lokalen Heizanforderung durch eine Wetterstation bei entsprechender Witterung, z.B. Lufttemperatur kleiner + 3 °C und Niederschlag oder bei Vorheizen über Wetterdienst werden alle Heizelemente der Anlage über eine Steuereinheit und Schaltgeräte zentral eingeschaltet und während der Anheizzeit die Schienentemperatur bis auf eine parametrierte Schienen-Solltemperatur, z.B. + 7 °C erwärmt und nach Erreichen der Schienen-Solltemperatur an zumindest einer Führungsweiche durch Zweipunkt- oder Konstanttemperaturregelung durch zentrales Ein- und Ausschalten der Schaltgeräte über einen zentralen Schienentemperatursensor auf die Schienen-Solltemperatur geregelt. Der Nachteil besteht darin, dass die Komponenten der Weiche witterungsbedingt, z.B. Wind, und konstruktiv bedingt sowie die Komponenten der linken Seite und rechten Seite der Weiche in Abhängigkeit der an den Backenschienen an- und abliegenden Zungenschiene unterschiedlich und zeitmäßig ungleich erwärmt werden und insbesondere bei negativen Umgebungstemperaturen an funktionsbedingten Komponenten der Weiche, die nicht mit Heizelementen ausgerüstet sind, z.B. Gleitstühle, insbesondere Rollengleitstühle, und ZUgenschienen-Spitze, Erwärmungsdefizite bestehen, so dass der Schnee an diesen Stellen nicht geschmolzen wird und die Weichen nicht mehr gestellt werden können. Ein weiterer Nachteil der ohmschen Heizer sind Störungen im Winter durch Ausfall der Heizelemente. Diese betragen ca. 95 % aller Störungen bei derartigen Anlagen und bedeuten erheblichen Entstörungsaufwand und dadurch Verspätungsminuten des Eisenbahnverkehrs im Winter. Weiterer Nachteil ist der ungleichmäßige Leistungseinsatz, der bspw. bei Zweipunktregelung zwischen Null und 100 % der Anschlussleistung der gesamten Weichenheizung beträgt sowie der Energieverbrauch durch zeitliche und betragsmäßige Über- und Untererwärmung der Komponenten der Weiche und daraus resultierende Funktionsdefizite bei Wetterextremen.
Aus der EP 3 204 830 B1 ist ein System und Verfahren zum wetterdatengestützten Temperieren von Eisenbahnweichen bekannt. Hierbei werden Wetterdaten abgerufen, analysiert und ein zeitlicher Ablauf von Solltemperaturen in Abhängigkeit der Wahrscheinlichkeit ermittelt. Nachteilig ist, dass die Solltemperaturen von der Wahrscheinlichkeit bestimmt werden und der Temperaturfahrplan mit diesen Solltemperaturen pro Weichenheizung gilt, sodass damit die Steuerung der gesamten Weichenheizung und damit alle Weichen mit den bereits dargestellten Erwärmungsdefiziten erfolgt.
Aus der PCT/EP2009/002553 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Energiemanagement für elektrische Weichenheizung bekannt. Hierbei werden für die Heizelemente Gruppen gebildet und diese nacheinander umlaufend aktiviert werden und dadurch und durch Ändern der Gruppenzuordnung eine gleichmäßige Erwärmung in Abhängigkeit der Regelabweichung erreicht wird. Nachteilig ist, dass lokale Erwärmungsdefizite nicht erkannt und vermieden werden.
Zur Verbesserung der Schneeschmelzwirkung ist aus der DE 43 38 750 A1 eine Schneeschmelzvorrichtung mit elektromagnetischer Induktionsheizung bekannt. Diese umfasst am Schienensteg angeordnete Kabel und einen Hochfrequenzgenerator, der einen in seiner Frequenz unveränderlichen Wechselstrom für die Kabel erzeugt und dadurch die Schienen erwärmt. Nachteilig sind die erforderlichen Durchgangslöcher in den Schienen.
Aus der EP 2 720 513 B1 ist eine induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung mit Induktoren am Schienensteg und HF-Generator mit einstellbarer Frequenz bzw. Pulsweite bekannt. Der Generator wird durch periodische Schwingungsfunktionen betrieben und ist ohne Schwingkreis und ohne Resonanzkreis ausgebildet. Die Leistungsregelung des Generators erfolgt in Abhängigkeit eines Algorithmus zwischen einem oberen und unteren Temperaturgrenzwert oder mit konstanter, manuell variabler oder kennfeldgesteuerter Leistung. Nachteilig ist der hohe Filter- und damit Kostenaufwand aufgrund der variablen Rechteckspannung des Generators mit Gleichstromzwischenkreise sowie die Anordnung der Induktoren an zwei parallelen Schienen einer Weiche wobei der erste und letzte Induktor zur Vermeidung von Verlusten mit dem Generator verbunden sind und beide Schienen mit gleicher Leistung beheizt werden. Weiterhin nachteilig ist die Vollbrücke, die keine höhere Spannung als die Netzspannung erzielt und zu erheblichen Verlusten durch doppelte Durchlassverluste wegen stets zwei Transistoren in Reihe und Schaltverluste wegen hartem Schalten am Netz und damit erhebliche EMV-Störungen sowohl in das Netz als auch an Induktor und Zuleitung zur Folge hat. Weiterhin ist nachteilig, dass die nicht angeführten Ummagnetisierungsverluste erheblich und maßgeblich an der Ausbildung der komplizierten Frequenz-Leistungskennlinie beteiligt sind.
Aus der EP 3 169 138 A1 ist eine induktive Heizvorrichtung mit adaptiver Mehr-Punkt- Temperaturregelung mit rampenartiger Erhöhung der Leistung des Generators zur Vermeidung thermischer Überlastungen und hoher Ströme beim Einschalten der vorgenannten Anmeldung bekannt. Nachteilig ist der hohe technische und Kostenaufwand für den Wechselrichter und der eher schlechte Wirkungsgrad, bestehende EMV-Probleme ein- und ausgangsseitig und das PFC-Verhalten am Eingang (cos phi = 1 ) muss durch zusätzlichen Aufwand realisiert werden. Bei der Integration des Verfahrens in bestehende Infrastruktur für ohmsche Heizer als Weichenheizung besteht der Nachteil, dass Wechselrichter mit vorgeordnetem Gleichrichter komplexen Eingangswiderstand haben und damit von Messschaltungen für ohmsche Widerstände nicht sinnvoll erkannt werden.
Aus DE 10 2012 11 1 357 A1 ist ein Gleitstuhl für eine Weiche bekannt, der eine Heizungsaufnahme in Form einer Durchführung für Heizvorrichtungen aufweist. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass Gleitstühle anderer Hersteller oder an Weichen bereits vorhandene Gleitstühle nicht mit Heizeinrichtungen versehen werden können.
Eine erste Aufgabe der Erfindung besteht in einem Verfahren und einer Einrichtung zum bedarfsgerechten Erwärmung aller funktionsrelevanten Komponenten der Weichen im Winter mit optimaler Energieverbrauch, gleichmäßiger Leistung und wirtschaftlichen Anschaffungs- und Betriebskosten mittels induktiver und ohmscher Heizelemente, wobei die induktiven Einrichtungen bauähnlich zu den ohmschen Einrichtungen entsprechend dem Stand der Technik und damit kompatibel, bzw. ergänzend zu den bei Bahnen vorhandenen Technischen Unterlagen für Weichenheizungen (z.B. Bestückungslisten von Weichen mit ohmschem Heizer) sein sollen.
Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, an den funktionsrelevanten Komponenten der Weichen eine sichere Schnee- und Eisfreihaltung im Winter unter allen Witterungsbedingungen, insbesondere bei Wetterextremen mit tiefen Temperaturen, Wetterstürzen und Wind, mit gleichmäßigen Leistungseinsatz zu gewährleisten und zeitliche und betragsmäßige Erwärmungsdefizite zu vermeiden und Störungen durch Ausfall von Heizelementen zu vermeiden und frühzeitig Warnmeldungen zu erzeugen, wenn diese Ziele nicht erreicht werden können. Die Lösung soll für ohmsche und induktive Verfahren geeignet sein und kompatibel zu den bei Bahnen vorhandenen technischen Vorschriften sein sowie für Nachrüstungen an herkömmlichen Anlagen sowie Mischbetrieb geeignet sein und eine höhere Verfügbarkeit der Weichen im Winter ohne Erhöhung der Anschlussleistung der vorhandenen Infrastruktur gegenüber dem Stand der Technik erreicht werden.
Diese Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zum Beheizen von Fahrwegelementen (1 ) gelöst, die als Komponenten (10) zumindest eine linke Backenschiene (5I) und eine rechte Backenschiene (5r), eine linke Zungenschiene (6I) und eine rechte Zungenschiene (6r) und einen linken Gleitstuhl (7I) und einen rechten Gleitstuhl (7r) sowie eine linke Stützknagge (8I) und einen rechte Stützknagge (8r) sowie ein Weichenverschluss (15) aufweisen, wobei für jeweils zumindest zwei Komponenten (10) des Fahrwegelements (1 ) zumindest je ein Heizelement (9) angeordnet ist, wobei i) ein Generator (32) zum Versorgen des zumindest einen als Induktor (16, 17, 18, 19, 21 ) ausgeführten Heizelements (9) mit Wechselstrom zur elektromagnetischen Induktion vorgesehen ist, und/oder ii) eine von einer Spannungsquelle (62) gespeiste Schwingungspaketsteuerung (87) zum Versorgen des zumindest einen als ohmsche Heizer (20) ausgeführten Heizelements (9) mit Wechselstrom zur ohmschen Erwärmung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung / Regelung der elektrischen Leistung des Generators (32) mit Resonanzschwingkreis durch Variieren mittels Wiedereinschaltverzögerung (tv) der Halbbrückenschalter (68, 69) nach Stromnulldurchgang des in den wenigstens einen Induktor (16, 17, 18, 19, 21 ) eingespeisten Wechselstromes erfolgt, und/oder die Steuerung / Regelung der elektrischen Leistung der ohmschen Heizer (20) über die Schwingungspaketsteuerung (87) durch Variieren der Einschaltdauer (ED) während Schwingungspaketdauer (SD) erfolgt.
Das Fahrwegelemente (1 ) wird im Folgenden vereinfacht als „Weiche“ bezeichnet, ohne die Erfindung darauf zu beschränken.
Spezieller Vorteil der Anordnung von zumindest einem Heizelement (9) an zumindest zwei Komponenten (10) ist eine gleichmäßige Erwärmung derselben durch Steuern / Regeln der jeweiligen Schienentemperatur (-9) mit minimal benötigter Leistung und damit Erhöhung der Verfügbarkeit der Weiche (1 ) im Winter insbesondere bei Wetterextremen ohne Erhöhung der Anschlussleistung mit gleichmäßiger Leistung. Spezieller Vorteil des Generators (32) mit selbstschwingenden Schwingkreis (Resonanzprinzip) ist Steuern / Regeln Leistung von induktiven Heizern (1 15) über Wiedereinschaltverzögerung (tv) im Stromnulldurchgang, mit dem ein großer Leistungsbereich bis herunter zu wenigen Volt Netzspannung ermöglicht wird und damit das System am Netz unabhängig von Netzfrequenz und eingestellter Leistung wie ein ohmscher Lastwiderstand erscheint, oberwellenfrei und mit einem Leistungsfaktor cos phi zwischen 0,99 und 1 , ohne dass dafür zusätzliche Vorrichtungen oder Baugruppen erforderlich sind.
Spezieller Vorteil der Schwingungspaketsteuerung ist gleichartiges Steuern / Regeln der Schienentemperatur mit minimal benötigter Leistung mittels ohmschen Heizern (20) und Nutzung der freien Leistung für zusätzliche ohmsche Heizer (20) und damit kontinuierlicher Lastverlauf beim Heizen.
In einer ersten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Berechnung des zeitlichen Verlaufs der Schienentemperatur (-9) und/oder der Schienenendtemperatur (SE) und/oder der Anheizzeit (tx) bis zum Erreichen der Schienen-Solltemperatur (-ösoii) und/oder der Schienen-Mindesttemperatur (ömin) über einen Wärmenetzsimulator (40) aus Eingangsdaten (105) und Modellparametern für die zumindest zwei Komponenten (10).
Spezieller Vorteil ist, dass ohne zusätzliche Sensoren an Weichen (1 ) funktionsrelevante Daten prognostisch ermittelt werden, die alle Störeinflüsse berücksichtigen und auch Positionen an der Weiche (1 ) einschließen, die nur indirekt über Wärmeleitung erwärmt werden, die in Abhängigkeit der Witterung sehr unterschiedlich ist. Die Kenntnis der Parameter ist Voraussetzung zur Vermeidung von Erwärmungsdefiziten, deren Folge eine nicht mehr stellbare Weiche (1 ) ist, und Erwärmungsüberschüssen, deren Folge Energieverschwendung ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann für das zumindest eine Heizelement (9) eine aktive Leistung (Pakt) zwischen einer minimalen Leistung und einer maximalen Leistung verstellbar sein und über mehrmalige Berechnung im Wärmenetzsimulator (40) und schrittweiser Anpassung der aktiven Leistung (Pakt) in einer Leistungssteuerung (41 ) ermittelt werden, bis die zumindest zwei Komponenten (10) des Fahrwegelements (1 ) die Schienen-Solltemperatur (Osoii) und/oder Schienen-Mindesttemperatur (ömin) zeitgleich und/oder innerhalb einer vorgegebenen und/oder berechneten maximalen Anheizzeit (tx) erreichen.
Spezieller Vorteil ist, dass mit der vorgeschlagenen Lösung die funktionsrelevanten Komponenten (10) der Weiche (1 ) zeitgleich und witterungsunabhängig die Soll- Parameter erreichen und dadurch für die Funktion der Weiche Erwärmungsdefizite vermieden werden und damit ohne Erhöhung der Anschlussleistung eine höhere Verfügbarkeit erreicht wird.
Eine andere Weiterbildung sieht vor, dass dem Wärmenetzsimulator (40) Prognosedaten (106) eines Wetterdienstes für eine Zeitdauer, vorzugsweise von 24 Stunden, mit zeitlichem Abstand (119), vorzugsweise von 1 Stunde, übergeben werden und diese durch zeitgleiche Messwerte aus lokaler Wetterstation (30) ersetzt werden, und daraus die zeitlichen Verläufe der Schienentemperatur (S ) und die Anheizzeit (tx) für die Zeitdauer mit zeitlichen Abstand (1 19), vorzugsweise von 1 Stunde, für die zumindest zwei Komponenten (10) des Fahrwegelementes ermittelt werden, und wenn in der Anheizzeit (tx) die Schienen-Solltemperatur (-ösoii) und/oder Schienen-Mindesttemperatur (Smin) in zumindest einem zeitlichen Abstand (1 19) nicht erreicht werden kann, eine minimale Schienen-Solltemperatur (Ssoiimin) und eine minimal benötigte aktive Leistung (Pakt) ermittelt wird und die minimal benötigte aktive Leistung (Pakt) für das zumindest eine Heizelement (9) aktiviert wird, sodass die minimale Schienen-Solltemperatur (öSoii min) vor dem Zeitpunkt des Ereignisses mit jeweiligen zeitlicher Abstand (1 19) erreicht wird und ab diesem Zeitpunkt (tx) die Schienen- Solltemperatur (ösoii) und/oder Schienen-Mindesttemperatur (ömin) für die zumindest zwei Komponenten (10) in der Anheizzeit (tx) sicher erreicht werden kann.
Spezieller Vorteil ist, dass insbesondere bei Schneefall oder Flugschnee oder Wetterextreme die Komponenten (10) der Weiche (1 ) mit geringer Leistung auf geringe Temperaturen vorgewärmt werden, sodass bei Eintreffen des Ereignisses der Zeitverlust bis zum Erreichen der Solltemperaturen aufgrund extrem tiefer Umgebungstemperaturen und / oder der erforderlichen Schmelz- und Verdampfungswärme vermieden wird und dadurch gewährleistet wird, dass bei Eintreffen des Ereignisses die Schienen-Solltemperaturen (öSoii) und/oder die Schienen- Mindesttemperaturen (ömin) an den Komponenten mit der verfügbaren Leistung sicher erreicht wird.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn zum zeitgleichen Erreichen und/oder innerhalb in einer maximalen Anheizzeit (tx max) der Schienen-Solltemperatur und/oder Schienen- Mindesttemperatur an den zumindest zwei Komponenten (10) die folgenden Schritte ausgeführt werden: a) Ermitteln des jeweiligen zeitlichen Verlaufs der Schienentemperatur (-9) bei Nennleistung und/oder spezifischer Leistung des zumindest einen Heizelements (9) an zumindest einem Weichensegment (50) des Fahrwegelements (1 ) in einem Wärmenetzsimulator (40), b) Zuordnung der zumindest zwei Komponenten (10) zur Stellung der Zungenschiene abliegend (76) und Zungenschiene anliegend (77) durch Auswerten von Sensordaten und/oder des zeitlichen Verlaufs der Schienentemperatur (9) der zumindest zwei Komponenten (10), und/oder c) Ermitteln der Anheizzeit (tx) bis zum Erreichen der Schienen-Solltemperatur (^soii) und/oder Schienen-Mindesttemperatur (ömin) an den zumindest zwei Komponenten in einem Wärmenetzsimulator (40), d) schrittweises Anpassen der aktiven Leistung (Pakt) des zumindest einen Heizelements (9) zum zeitgleichen Erreichen der Anheizzeit (tx) der Schienen- Solltemperatur (Osoii) und/oder Schienen-Mindesttemperatur (ömin) unter Berücksichtigung der maximalen Leistung (Pmax) und Einhaltung der Anschlussleistung (PA) des Fahrwegelements (1 ), e) Begrenzen der Leistung (P) des Stellgliedes (79) des zumindest einen Heizelements (9) auf die aktive Leistung (Pakt), f) schrittweises Erhöhen der Schienen-Solltemperatur (Osoii) für das zumindest eine Heizelement (9) bis die Schienen-Mindesttemperatur (ömin) an zumindest einer Position (46) Kopf (k) und/oder außen (a) und/oder mitte (m) an zumindest zwei Komponenten (10) erreicht wird, g) Erzeugen von Warnmeldung vor Eintreffen des Ereignisses, f1 ) wenn die Anheizzeit der zumindest zwei Komponenten (10) größer als die maximale Anheizzeit ist f2) wenn die Schienenendtemperatur der zumindest zwei Komponenten (10) kleiner als die Schienensolltemperatur ist.
In Abhängigkeit der Stellung der Zungenschiene (6) zur Backenschiene (5), an letzterer an- oder abliegend, werden die Komponenten (10) der linke Seite (2) und der rechten Seite (3) der Weiche (1 ) unterschiedlich erwärmt. Beim Stand der Technik wird deshalb zumeist die Leistung aller Heizelemente nach der niedrigsten Temperatur in Zweipunktregelung gesteuert. Dadurch wird Energie verschwendet, weil eine Komponente normal beheizt und die andere überheizt wird. Der Vorteil der vorgeschlagenen Lösung besteht darin, dass über Detektion der Stellung der Zungenschiene (6) die aktive Leistung für die Heizelemente (9) laufend angepasst wird und damit jede Komponente (10) bedarfsgerecht erwärmt wird. Damit wird Überheizung vermieden und mit der eingesparten Leistung wird die Betriebsgrenze der Weichenheizung bei gleicher Anschlussleistung erhöht.
Außerdem besteht beim Stand der Technik das Problem, dass bei Heizanforderung der zeitliche Verlauf der Temperatur aller Komponenten der Weiche unterschiedlich ist. Es ist bekannt, dass die Schienen- Solltemperatur am Backenschienenfuß relativ schnell erreicht wird und andere vorwiegend nicht mit Heizelementen versehene Positionen, bspw. Zungenschienenspitze und Gleitstühle, insbesondere Rollengleitstühle, sehr viel langsamer, sodass an diesen die Schienen-Solltemperatur bzw. Schienen- Mindesttemperatur sehr viel später oder auch gar nicht erreicht wird. Der weitere Vorteil der vorgeschlagenen Lösung besteht auch darin, dass für diese benachteiligten Positionen über Anpassen der aktiven Leistung und der Schienen- Solltemperatur derartige Erwärmungsdefizite vermieden werden und bei Nichteinhalten der Bedingungen vor Eintreffen des Ereignisses eine Warnmeldung erzeugt wird und dadurch geeignete vorbeugende Maßnahmen getroffen werden können.
Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass zur Vermeidung von Störungen durch Ausfall eines Heizelements (9) zumindest an zwei Komponenten (10) der linken Seite (2) und rechten Seite (3) der Fahrwegelemente (1 ) zumindest dieses Heizelement (9) ausgeschaltet wird und das benachbarte Heizelement (9) mit maximaler Leistung (Pmax) aktiviert und eine Wartungsmeldung erzeugt wird.
Es wird eingeschätzt, dass beim Stand der Technik ca. 95% aller Störungen im Winter bei witterungsbedingter Heizanforderung durch Ausfall der Heizelemente sind. Der Vorteil besteht darin, dass die Weichenheizung bei Ausfall eines Heizelementes (9) weiter aktiv ist und die bisher kurzfristige Störungsbeseitigung durch einen planbaren Wartungsaufwand ersetzt wird und der Zugbetreib während dieser Zeit nicht eingeschränkt ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Stellung der Zungenschiene abliegend (76) und Zungenschiene anliegend (77) und Zuordnung der Modellparameter zur linken Seite (2) und rechten Seite (3) in dem Wärmenetzsimulator (40) durch Auswertung der Induktivität zumindest eines Induktors (16) erfolgen.
Der spezielle Vorteil ist, dass ohne zusätzliche Sensoren und damit verbundenen höheren Montage- und Wartungsaufwand die Steuerung / Regelung der Leistung der Heizelemente (9) bedarfsgerecht erfolgt sowie gleichmäßiger Leistungseinsatz erreicht wird.
Wenn in der Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung Verfahrensmerkmale genannt werden, so beziehen sich diese insbesondere auf das erfindungsgemäße Verfahren. Ebenso beziehen sich gegenständliche Merkmale, die in der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens angeführt werden, auf die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Die vorstehend angegebene Aufgabe der Erfindung wird in einem zweiten Aspekt durch eine Einrichtung zum Beheizen von Fahrwegelementen (1 ) gelöst, die als Komponenten (10) zumindest eine linke Backenschiene (5I) und eine rechte Backenschiene (5r), eine linke Zungenschiene (6I) und eine rechte Zungenschiene (6r) und einen linken Gleitstuhl (7I) und einen rechten Gleitstuhl (7r) sowie eine linke Stützknagge (8I) und einen rechte Stützknagge (8r) sowie ein Verschlussfach aufweisen, wobei für jeweils zumindest zwei Komponenten (10) des Fahrwegelements (1 ) zumindest je ein Heizelement (9) angeordnet ist, wobei i) ein Generator (32) zum Versorgen des zumindest einen als Induktor (16, 17, 18, 19, 21 ) ausgeführten Heizelements (9) mit Wechselstrom zur elektromagnetischen Induktion vorgesehen ist, und/oder ii) eine von einer Spannungsquelle (62) gespeiste Schwingungspaketsteuerung (87) zum Versorgen des zumindest einen als ohmscher Heizer (20) ausgeführten Heizelements (9) mit Wechselstrom zur ohmschen Erwärmung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (32) mit einheitlicher Leistung als selbstschwingender Schwingkreis für Nennbetriebsleistung von 1 kW bis 7,5 kW, vorzugsweise von 2,0 kW, ausgeführt ist.
Spezieller Vorteil ist, dass keine projektspezifischen Anpassungen der Leistung der Generatoren (32) an die Größe der jeweiligen Weichen (1 ) erforderlich sind und Standardtypen vorgeschlagen werden, die sich in die bestehenden Bestückungsvorschriften der Bahnen mit ohmschen Heizelementen einfügen und mit wirtschaftlichen Aufwand hergestellt, betrieben, gelagert und instandgehalten werden können. Die obere Leistungsgrenze wird bspw. durch die maximale Leistung für einen Heizabgang von 15 kW beim Stand der Technik bestimmt und die vorzugsweise Leistung von 2 kW wird durch das bei der Bahn eingesetzte Heizelement mit der größten Leistung von bspw. 1 ,5 kW zuzüglich einer Leistungsreserve von 0,5kW bestimmt.
Diese erfindungsgemäße Einrichtung kann vorteilhafterweise so ausgeführt sein, dass für das zumindest eine Heizelement (9) ein induktiver Regelkreis (35), bestehend aus Vergleichsglied, Regler (44), Leistungsbegrenzung (51 ), Leistungsquantifizierer (52), Generator (32) und Stellglied (78), Induktor (16) vorhanden ist und/oder ein ohmscher Regelkreis (34), bestehend aus Vergleichsglied, Regler (44), Einschaltverzögerung (48), Schwingungspaketsteuerung (87) und Stellglied (78) ohmscher Heizer (20) vorhanden ist und während des Regelprozesses die aktive Leistung des Stellgliedes (78) über Leistungssteuerung (41 ) stellbar und über Leistungsbegrenzung (51 ) begrenzbar ist und die Führungsgröße aktive Schienen-Solltemperatur (3 Son akt) über Leistungsteuerung (41 ) stellbar ist und Heizelementsensor (37) oder Schienentemperatursensor (25) über Kommunikation (43, 102, 45) mit dem Vergleichsglied des Regelkreises (34, 35), der Steuereinheit (23), Prognoserechner (101 ) und Wärmenetzsimulator (40) verbunden sind, und der Wärmenetzsimulator (40) mit einem Prognoserechner (101 ) verbunden ist, und dieser aus Prognosedaten (106), mit aktuellen Eingangsdaten (105 und Wetterprognosedaten (103) in Datensätzen mit zeitlichen Abständen (1 19) aus zeitlichen Verläufen der Schienentemperatur (-9) die minimale Schienen-Solltemperatur (9 Son min) für jeden zeitlichen Abstand (1 19) die minimal benötigte Leistung des Stellgliedes, die der aktiven Leistung (P akt) durch mehrmalige Berechnung und daraus in einer Leistungssteuerung (41 ) die Stellgröße des Regelkreises auf die aktive Leistung (Pakt) mittels Leistungsbegrenzung (51 ) oder Veränderung der Einschaltdauer (TEV) einer Schwingungspaketsteuerung (87) begrenzen und die aktive Schienen-Solltemperatur (9 son akt) dem Regelkreis (34,35) vorgeben wird, wobei die aktive Schienen-Solltemperatur (9 son akt) zum zeitlichen Abstand (119) Null der Schienen-Solltemperatur (9 Son) und zum zeitlichen Abstand (119) größer Null der minimalen Schienen-Solltemperatur (9 Son min) entspricht, damit bei Eintreffen des Ereignisses die Schienen-Solltemperatur (9 Son) und/oder die minimale Schienentemperatur (-9 min) sicher erreicht wird.
Spezieller Vorteil ist die Bildung von Regelkreisen für ohmsche und induktive Heizelemente (9) mit gleicher Struktur und damit für möglicher Mischbetrieb und bedarfsgerechte Regelung der Schienentemperatur und Leistung der Stellglieder ohne zusätzliche externe Sensoren unter Einhaltung der maximalen Leistung und gleichmäßiger zeitlicher Verlauf der Schienentemperatur der Komponenten (10) mit gleichmäßiger Leistung und geringen Energieverbrauch und Erhöhung der Verfügbarkeit bei Wetterextremen durch Vorheizen mit zeitlich gestaffelter minimaler erforderlicher Schienen-Solltemperatur (Führungsgröße) und minimaler Leistung für jeden Regelkreis mit gleichmäßiger gesamter Leistung erfolgt, sodass bei Eintreffen des Ereignisses die Schienen-Solltemperaturen an allen Komponenten sicher und zeitgleich erreicht und Defizite vermieden werden.
Bei einer solchen Ausführungsform kann vorteilhafterweise das Stellglied (79) aus Generator (32) mit Resonanzschwingkreis und Leistungsstufe (67) in Halbbrückenschaltung und Aufteilung des Resonanzkondensators (70) und Nullstromdetektor (65) und Steuerlogik (66) zwischen Schwingkreis (73) und Halbleiterschalter (68,69) zur Erzeugung von Wiedereinschaltverzögerung (tv) der Halbleiterschalter (68,69) im Stromnulldurchgang des Resonanzstromes (IR6S) oder im Spannungsmaximum der Resonanzspannung (U R6S) bestehen und zumindest einen Induktor (16), und im Frequenzbereich von 15 kHz bis 60 kHz, vorzugsweise 15kHz bis 30kHz für Nennleistung (PN) zwischen 7,5kW und 1 kW, vorzugsweise 2,0 kW, ausgeführt sein, wobei der Induktor (16) mit eingeschlossener Induktorwicklung (33, 38) in einer oder mehrere Lagen mit einer oder zwei Wicklungen und mit einer oder beidseitigen Anschlussstellen (78) für Reihenschaltung von Induktoren (16) mit Generator (32) über eine Anschlussleitung (59) und mit spezifischer Leistung (Ps) zwischen 225 W/m und 750 W/m, vorzugsweise mit spezifischer Leistung (Ps) von 320W/m zuzüglich einer Leistungsreserve von ca. 33 %, mit insgesamt 425 W/m und der Induktorkörper (80) aus stranggezogenen Faserprofil in vorzugsweise gleicher Länge (L) wie ohmsche Heizer (20) ausgeführt ist, und/oder das Stellglied aus Schwingungspaketsteuerung (87) und zumindest einem ohmschen Heizer (20) besteht und die aktive Leistung (Pakt) über Veränderung der Einschaltdauer durch Einschaltverzögerungszeit (tv) während jeder Schwingungsdauer (SD) aus Leistungssteuerung (41 ) und Einschaltverzögerung (48) im Regelkreis (34, 35) erfolgt.
Spezielle Vorteile sind einfache Durchlassverluste gegenüber doppelten Verlusten bei Vollbrückenschaltung, da jeweils nur ein Schaltgerät gegenüber zwei in Reihe geschalteten Schaltgeräten den Strom leitet, einfache Leistungsteuerung in großem Bereich mit geringen Schaltverlusten und Netzrückwirkungen durch Schalten nur im Strom-Nulldurchgang (ZSC) durch Differenzierung der Resonanzspannung und Feststellung des Nulldurchgangs mit einfachen Komparator,
Aufteilung des Resonanzkondensators (70) bewirkt Halbierung des eingangsseitigen Ripplestroms und halbiert damit ohne Filterung bereits die hochfrequenten Netzrückwirkungen, außerdem wird damit der hochfrequente Strom halbiert und eine deutliche Verlust- und Baugrößenreduzierung erreicht, es werden keine höheren Spannungen als die Netzspannung erzeugt, sodass die Induktoren (16) mit wirtschaftlichen Aufwand hohe Leistungen erreicht werden, Vermeidung von Leitungsverlusten durch Anschluss mehrerer auch unterschiedlicher Induktoren (16) in Reihe über jeweils eine Leitung in Art einer Lichterkette an einen Generator (32) ohne separate Rückleitung,
Integration der induktiven Heizelemente (16) in die jeweils bestehende Bestückungsliste der Bahn für Weichen mit ohmschen Heizelementen mit analoger Nennleistung, Länge und Befestigung und zusätzlicher Leistungsreserve zur Erhöhung der Verfügbarkeit über Nutzung nicht benötigter Leistung ohne zusätzliche Heizelemente gleichmäßige Leistungseinsatz und Erzeugen von Leistungsreserven durch Verringerung der Leistung zugunsten zusätzlicher Heizelemente (9) im Rahmen der verfügbaren Anschlussleistung, möglicher Mischbetrieb von ohmschen und induktiven Heizeinrichtungen.
In der erfindungsgemäßen Einrichtung kann ferner zumindest ein Heizelementsensor (37) mit Energie-Harvasting (29) und Kommunikation (43) zur Erfassung der Schienentemperatur (-9) in einen Induktorkörper (80) und/oder Anschlusskopf eines ohmschen Heizers (20) angeordnet sein. Spezieller Vorteil ist Erfassung der Schienen-Isttemperatur ohne zusätzlichen Aufwand an Leitungs- und Instandhaltungsaufwand für Anschaffung, Montage, Wartung und Reparatur.
Eine andere Weiterbildung sieht vor, dass ein Induktor (16) an der Komponente (10) mittels u-förmig abgewinkelter Anschlusskopfbefestigung (91 ) über am Induktor vorhandener Ausnehmung oder Überstand, bspw. über Induktoranschluss (98), beidseitig umschließt und am Schienenfuß über federnd biegsamer Bolzenschraube befestigt ist.
Die vorstehend genannten Aufgaben werden ferner durch folgende weitere Verfahren und Einrichtungen gelöst, wobei funktionsrelevante Komponenten (10) Backenschienen, Zungenschienen inklusive Zungenschienenspitze, Gleitstühle, insbesondere Rollengleitstühle, Weichenverschluss und Stützknaggen der Weiche (1 ) sind, an denen an Positionen (46) innerhalb einer Anheizzeit und während der gesamten Regelzeit die Schienen-Solltemperatur bzw. Schienen-Mindesttemperatur über die gesamte Länge der Weiche mit gleichmäßiger Gesamtleistung erreicht wird und die Schienen- Mindesttemperatur der Temperatur entspricht, bei der Schnee und Eis schmilzt, bspw. 0 °C:
I) direkte Erwärmung an zumindest zwei Komponenten (10) der linken Seite (2) und rechten Seite (3) der Weiche (1 ) durch Anordnung von ohmschen Heizern (20) und/oder induktiven Heizelementen (16) an diesen, wobei die Summe der Nennleistung aller Heizelemente (9) einer Weiche (1 ) größer als die Anschlussleistung der Weiche (1 ) sein kann, und die Heizelemente (9) gleichzeitig oder nacheinander über Regelkreise mit Stellgliedern aktiviert werden, deren Leistung während des gesamten Heizbetriebes zwischen 0 % und 100 % der Nennleistung (PN) und/oder einer maximalen Leistung (Pmax) von bspw. 135 % unter Berücksichtigung der Anschlussleistung (PA) der Weiche (1 ) verstellbar und begrenzbar ist, indem die aktive Leistung aller Regelkreise einer Weiche (1 ) nicht größer als die Anschlussleistung PA der Weiche (1 ) ist,
II) die Leistung der Heizelemente (9) über induktive und ohmsche Stellglieder verstellbar ist, indem bei ohmschen Stellgliedern die Einschaltdauer von Schwingungspaketsteuerung über Wiedereinschaltverzögerung (tv) innerhalb der Schwingungsperiode und bei induktiven Stellgliedern der Generator zur Stromversorgung der Induktoren mit Resonanzschwingkreis in Halbbrückenschaltung ausgeführt ist, und die Leistung mittels Wiedereinschaltverzögerung (tv) der Halbbrückenschalter verändert wird,
III) Ermitteln der zeitlichen Verläufe der Erwärmung der Komponenten und der Anheizzeit bis zum Erreichen der Schienen-Solltemperatur und/oder der Schienen- Mindesttemperatur aus Eingangsdaten einer lokalen Wetterstation und Prognosedaten eines Wetterdienstes in einem Prognoserechner (101 ) mit zeitlicher Auflösung und Erzeugen von zeitlichen Verläufen der Schienentemperatur mit Prognosezeit (1 17) in zeitlichen Abständen in einem Wärmenetzsimulator für jede Komponente der rechten Seite (3) und linken Seite (2) der Weiche (1 ),
IV) Anpassung der aktiven Leistung jedes Regelkreises, mit der die Schienen- Solltemperatur (öSoii) und/oder die Schienen-Mindesttemperatur (ömin) der zugehörigen Komponente der Weiche (1 ) zeitgleich oder in einer maximalen Anheizzeit erreicht und über die gesamte Heizdauer gehalten wird mittels mehrmaliger Berechnung des Wärmenetzsimulators und schrittweiser Erhöhung bzw. Verminderung der aktiven Leistung (Pakt) und Ermittlung der dafür erforderlichen aktiven Schienen- Solltemperatur (3 son akt) mittels Leistungssteuerung und Begrenzen der aktiven Leistung (Pakt) des Stellgliedes über Leistungsbegrenzung und zur Variierung der Leistung in vordefinierten Stufen durch Leistungsquantifizierer in den Regelkreis einschließlich Vorgabe der jeweiligen aktive Schienen- Solltemperatur (Ssoii akt) als Führungsgröße,
V) bei prognostizierten zeitlichen und/oder betragsmäßiger Defiziten der Schienenisttemperatur gegenüber der Schienen-Solltemperatur oder Schienen- Mindesttemperatur Ermitteln einer minimalen aktiven Leistung und einer minimalen Schienen-Solltemperatur und aktivieren derselben im jeweiligen Regelkreis, sodass vor Eintritte des Ereignisses die maximale Anheizzeit und/oder alle Anheizzeiten gleichzeitig an allen Komponenten erreicht und gehalten werden,
VI) bei Defiziten der Schienen-Mindesttemperatur an Positionen der Komponenten, die bspw. nur indirekt über Wärmeleitung erwärmt werden, wird die Schienen- Solltemperatur für diese Regelkreise solange schrittweise erhöht, bis die Schienen- Mindesttemperatur erreicht werden wird,
VII) bei betragsmäßigen Defiziten der Schienen-Solltemperatur und/oder der Anheizzeit, bspw. wenn die Schienen-Solltemperatur nicht erreicht werden wird, zeitlich versetztes Heizen durch Einstellen der aktiven Leistung für die Regelkreise mit Priorität 1 , deren Komponenten vorrangig erwärmt werden sollen, bspw. nur die Backenschienen linke Seite und rechte Seite der Weiche bis zum Erreichen der Schienen- Mindesttemperatur und danach Aktvieren der Regelkreise mit nachfolgender Priorität 2 mit der verbleibenden Leistung unter Berücksichtigung und Einhaltung der Anschlussleistung,
VIII) Vermeiden von Störungen bei Ausfall von Heizelementen durch Abschalten des defekten Heizelementes und Aktivieren der maximalen Leistung des an der gleichen Seite der Weiche angeordneten benachbarten Heizelementes und Erzeugen einer Wartungsmeldung anstelle der bisher üblichen Störungsmeldung Die Generatoren werden mit Resonanzprinzip (Schwingkreis selbstschwingend) und Schalten nur im Strom-Nulldurchgang (Zero-Current-Switching; kurz ZCS) und zeitliche Verlängerung der Stromaufnahme aus dem Netz nach PFC-Prinzip (perfekte Power Factor Correction) mit cos phi = 1 , das heißt reine Wirkleitung, unabhängig von Frequenz und Amplitude der Netzspannung ausgeführt und damit folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik erreicht.
Sehr geringen Netzrückwirkungen und EMV infolge Resonanzprinzip und ZCS sowie sehr hohen Wirkungsgrad infolge ZCS, wobei alle Vorteile über den gesamten Leistungsbereich von 100% bis kleiner <10% erhalten bleiben und die Steuerung bzw. Regelung der Leistung durch Wiedereinschaltverzögerung (tv) der Halbbrücke von ca. 0 ps bis ca. max.50ps bei Einschaltdauer (ED) von ca. 10ps und Steuerung und Überwachung durch Mikrocontroller oder auch eigenständig mit internen Schutz- und Überwachungseinrichtung zur Meldung bzw. Abschaltung für Temperatur, Strom, Spannung und Induktivität und Isolationswiderstand.
Mit der erfindungsgemäßen Ausführung der Generatoren mit Resonanzprinzip wird gegenüber der EP 2 720 513 B1 eine um ca. Faktor 6 höhere Leistung pro Meter Länge des Induktors und damit der Schiene erreicht. Außerdem bestehen Vorteile in nur einfachen Durchlassverlusten, da jeweils nur ein Halbleiterschalter leitet und stark reduzierte Schaltverluste sowie erheblich reduzierte Netzrückwirkungen und EMV wegen des ZCS-Prinzips.
Gegenüber der EP 3 169 138 A1 wird mit der erfindungsgemäßen Lösung infolge Resonanzprinzip und ZCS ein einfacher und kostengünstiger Aufbau, hervorragender Wirkungsgrad, geringe EMV-Probleme ein- und ausgangsseitig und cos phi = 1 ohne zusätzlichen Aufwand erreicht. Der vorgeschlagene Generator wirkt am Netz wie ein ohmscher Verbraucher und kann daher von Messschaltungen für ohmsche Widerstände leicht erkannt und wertmäßig bestimmt werden und damit in bestehende Infrastruktur für ohmsche Heizer (20) problemlos integriert werden. Die Generatoren (32) werden mit einheitlicher Nennleistung (PN) zwischen 5 kW und 1 kW, vorzugsweise mit Nennleistung (PN) 2 kW und Frequenz von 10 kHz bis 40 kHz ausgeführt
Die Induktoren (16) werden in kompakter und modularer Ausführung anschlussfertig bestehend aus Induktorkörper (80), Induktorwicklung (33), Induktoranschluss (98) und Heizelementleitung (89) in analoger Länge (L) und Nennleistung (PN) wie ohmsche Heizer (20), bspw. L=4,7m und PN =1 ,5 kW, sowie L= 3,72 m und PN = 1 ,2 kW, sowie L= 2,87 m und PN = 0,9 kW ausgeführt, sodass diese dadurch konstruktiv und elektrisch kompatibel zu bestehenden ohmschen Weichenheizungen (109) mit der Möglichkeit von Mischbetrieb und Integration der vorgeschlagenen Lösung in bestehender Technische Unterlagen und in bestehende Infrastruktur mit ohmsche Heizer (20) der Bahn sind. Außerdem können bspw. für Gleitstühle (7), Stützknaggen (8) und die Spitze der Zungenschiene (6) der Weiche (1 ), die bisher aus konstruktiven oder wirtschaftlich Gründen nicht mit Heizelementen (9) bestückt werden konnten, kleine und wirtschaftliche Induktoren (16) eingesetzt werden und dadurch auch an diesen Stellen Erwärmungsdefizite vermieden werden.
Die Induktoren (16) werden mit einer Induktorwicklung (33) und Heizelementleitung (89) zum Anschluss an einen Generator (32) und einer zweiten Induktorwicklung (38) innerhalb eines Induktorkörpers (80) zum Anschluss von mehreren Induktoren an einen Generator in Reihenschaltung, ausgeführt, wobei bei letzteren eine Induktorwicklung (33) als Hinleitung und eine zweite Induktorwicklung (38) als Rückleitung bei Reihenschaltung mehrerer Induktoren (16) dient und damit Verluste vermieden werden.
Die Induktoren (16) werden mit in einen Induktorkörper (80), vorzugsweise aus Faserverbundwerkstoff mit ein- oder mehrlagiger Induktorwicklung (33), luftdicht ausgeführt und mittels bekannter Anschlusskopfbefestigung (91 ) am Fuß der Backenschiene (5) oder Zungenschiene (6) direkt mittels Anschlusskopfbefestigung (91 ) oder über zusätzliche Gleitstuhlhalterung (92) an einer Seitenfläche der Gleitstuhlpatte (7) in Längsrichtung der Schienen verschiebesicher befestigt sowie mittels Klemmen (97) an die Komponenten (10) der Weichen (1 ) angedrückt.
Für die Komponenten (10) der Weiche (1 ), die mit ohmschen Heizer (20) nicht bestückt werden können, bspw. für Gleitstühle (7), Rollengleitstühlen (61 ) und Stützknaggen (8) werden zwei Induktorwicklungen (33) mehrlagig auf einem C- und/oder E-Ferritkern gewickelt und in einen Induktorkörper (80) zusammen mit einem Ende der Heizanschlussleitung (89) vergossen und in Reihenschaltung untereinander und mit einem Generator verbunden.
Zur Detektion der Schienentemperatur (S) und/oder Stellung der beweglichen Zungenschiene anliegend (76) und Zungenschiene abliegend (77), werden Heizelementsensoren (37) mit Temperatursensor oder induktiver Sensor (71 ) , Energie Harvasting und Kommunikation Heizelementsensor (43) in den Induktoren (16) und ohmschen Heizer (20) integriert, die hier vorzugsweise in einer Anschlussstelle (78) angeordnet werden , sodass ohne zusätzlichen Aufwand für Leitungen und Wartung die Schienentemperatur (S) und/oder die Stellung der Zungenschiene abliegend (77) und Zungenschiene anliegend (76) über Auswertung der Veränderung der Induktivität, bspw. an Induktor Gleitstuhl (17) über die Permeabilitätsänderung durch Stellung der Zungenschiene (6) und der Weiche (1 ) erfolgt.
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Es zeigen:
Fig. 1 Schnittbild einer Weiche (1 ) mit Weichenverschluss (15) und Komponenten (10) linke Seite (2) und rechte Seite (3) der Weiche (1 ) mit Heizelementen (9) entsprechend dem Stand der Technik,
Fig.2 Schnittbild einer Weiche (1 ) entsprechend Fig. 1 mit Positionen (46) an den Komponenten (10), beispielhaft an einem Weichensegment (50) der Weichenspitze (82),
Fig.3 Übersichtsbild einer erfindungsgemäßen induktiven Weichenheizung (11 )
Fig. 4 Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen induktiven Weichenheizung (11),
Fig. 5 Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen ohmschen Weichenheizung (109)
Fig. 6a beispielhafte Darstellung der Prognosedaten (106) und Ausgangsdaten (110) des Wärmenetzsimulators (40),
Fig. 6b Beispielhafter Datensatz (111) Ausgangsdaten (110) in zeitlichen Abständen (120) für den Wärmenetzsimulator (40),
Fig. 6c beispielhafter zeitlicher Verlauf der Schienentemperatur (S) an Positionen (46) der Backenschiene (5) und Zungenschiene (6),
Fig. 6d beispielhafte schrittweise Ermittlung der aktiven Leistung (Pakt) in der Leistungssteuerung (41),
Fig. 7a bis 7c beispielhafte Ermittlung der aktiven Leistung (Pakt) zum Erreichen einer Schienen-Solltemperatur (-9 Soii) in einer Anheizzeit (tx) mittels induktiven Regelkreis (35) mit Leistungsquantifizierung (52),
Fig. 8a bis 8b beispielhafte Ermittlung der aktiven Leistung (Pakt) zum zeitgleichen Erreichen der Schienen-Solltemperatur (9 Son) und Schienen- Mindesttemperatur (9 min) innerhalb einer Anheizzeit (tx),
Fig.9 beispielhaftes gleichzeitiges Erreichen der Schienen-Solltemperatur (9 Son) in der Anheizzeit (tx) durch Einschaltverzögerung (t EV),
Fig.10 Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Generators (32) zur Stromversorgung von Induktoren (16) für induktive Weichenheizung (11 ),
Fig. 11 a beispielhafter Schaltverlauf der beiden Halbbrückenschalter (68,69) des Generators (32) ohne Wiedereinschaltverzögerung,
Fig. 11 b Verlauf der Resonanzspannung (U R6S) und des Resonanzstromes (I R6S) bei Schaltverlauf des Generators (32) nach Fig. 11a,
Fig. 11c beispielhafter Schaltverlauf der Halbbrückenschalter (68, 69) des Generators (32) mit Wiedereinschaltverzögerung (tv),
Fig. 11 d Verlauf der Resonanzspannung (U R6S) und des Resonanzstromes (I R6S) bei Schaltverlauf des Generators (32) nach Fig. 11c,
Fig. 12 beispielhafte Befestigung Induktor Backenschiene (18),
Fig. 12a beispielhafte Ausführung Induktor (16) mit zweiter Induktorwicklung (38),
Fig. 12b beispielhafte Ausführung Induktorkörper (80), Fig. 13 beispielhafter Übersichtsplan einer Weichenheizung Stand der Technik, Fig. 14 beispielhafter Übersichtsplan einer erfindungsgemäßen Weichenheizung, Fig. 15 beispielhafte Ausführung Induktor Gleitstuhl (17),
Fig. 15a beispielhafte Ausführung Induktor Gleitstuhl (17) mit C-Ferritkern,
Fig. 15b beispielhafte Ausführung Induktor Gleitstuhl (17) mit E-Ferritkern,
Fig. 16 beispielhafte Ausführung Induktor Stützknagge (81 ),
Fig. 17 Draufsicht auf einen Gleitstuhl an der Weichenspitze
Fig. 17a Schnitt D-D nach Figur 17
Fig. 17b Schnitte C-C nach Figur 17
In Figur 1 sind an der Backenschiene 5I der linken Seite 2 und an der Backenschiene 5r der rechten Seite 3 der Weiche 1 Heizelemente 9 auf den Backenschiene-Fuß 5f und Weichenverschluss 15 angeordnet. Die Heizelemente 9 sind Heizbänder oder ohmsche Heizer 20 mit Widerstandsheizdraht in fixen Längen, bspw. 2,87 m, 3,72 m und 4,7 m lang und einheitliche spezifische Leistung Ps pro Meter Länge L, bspw. 330 Watt pro Meter. Die Zungenschiene 6I der linken Seite 2 der Weiche 19 ist bspw. an der Backenschiene 5I abliegend dargestellt und die Zungenschiene 6r der rechten Seite 3 der Weiche 1 ist an der Backenschiene 5r rechts anliegend dargestellt. Während des Betriebes wird die Stellung der Zungenschiene in Abhängigkeit des Zugverkehrs über nicht dargestellten Weichenantrieb und das Verschlussfachgestänge laufend verstellt. Aufgrund der unterschiedlichen Abstände der Zungenschiene 6 zur Backenschiene 5 in Abhängigkeit der Stellung der Zungenschiene und der konstruktionsbedingten unterschiedlichen Massen in Längsrichtung der Weiche 1 bestehen bei Heizbetrieb im Winter erhebliche Erwärmungsunterschiede an den einzelnen Komponenten 10 der Weiche 1 . Das betrifft vor allem die Zungenschienen 6, insbesondere die Zungenschiene abliegend 76 und die Zungenschienenspitze 6s und die Gleitstühle 7 sowie die Stützknaggen 8. Bei modernen Rollengleitstühlen 61 wird die Zungenschiene abliegende 76 angehoben und dadurch die Wärmeleitung von der beheizten Backenschiene 5 weiter verschlechtert und es kommt zum Festfrieren der Zungenschienen 6 und damit Blockieren der Weiche 1. Außerdem können bei der Regelung im Heizbetrieb über einen zentralen Schienentemperatursensor 25 an einer Backenschiene 5 einer sogenannten Führungsweiche an der anderen Backenschiene 5 geringere oder höhere Schienentemperaturen auftreten und dadurch entweder Erwärmungsdefizite entstehen oder Energie vergeudet werden. Dieser Effekt kann sich bei den übrigen Weichen der Anlage verstärken.
In Figur 2 ist das Schnittbild der Weiche 1 nach Figur 1 beispielhaft an dem Weichensegment 50r Weichenspitze 82 mit Zungenschiene abliegend 76 und Zungenschiene anliegend 77 und Angabe der Positionen 46 Backenschiene-Fuß 5f Backenschiene-Kopf 5K Zungenschiene-Kopf 6K, Zungenschienen-Fuß 6F, Gleitstuhl mitte 7m, Gleitstuhl außen 7a, Stützknaggen 8 und Weichenverschluss 15 dargestellt, deren Schienentemperatur für die Verfügbarkeit der Weiche im Winter maßgeblich sind. Zur Regelung ist beim Stand der T echnik bspw. ein zentraler Schienentemperatursensor 25 an einer Führungsweiche an einer Backenschiene 6, hier dargestellt an der linken Seite 2 unter dem Fuß der Backenschiene 5 bei Zungenschienen abliegend 76 angeordnet. Die Wärmeübertragung zu den übrigen Komponenten 10 der Weiche erfolgt über Wärmeleitung. In Abhängigkeit der Stellung der beweglichen Zungenschiene 6 und von Störeinflüssen, wie bspw. Wind, werden die schraffiert dargestellten Komponentenl O der linken Seite 2 und der rechten Seite 3 unterschiedlich erwärmt. Im Heizbetrieb bestehen deshalb beim Stand der Technik immer Temperaturunterschiede. Für die Funktion der Weiche im Winter ist wichtig, dass der Schnee ganzheitlich geschmolzen wird und bei betriebsmäßig erforderlichen Verstellen der beweglichen Zungenschiene kein Schnee oder Eis das Erreichen der Endstellung der beweglichen Zungenschiene an der Backenschiene behindert, Weichenteile nicht einschneien und das die bewegliche Zungenschiene 6 an den Stützknaggen 8 und/oder an den Gleitstühlen 7 und /oder am Backenschienenkopf 5k nicht anfriert. Da diese Stellen vom Standort des Heizelementes 9 bei linker Seite 2 und rechter Seite 3 sowie über die Länge der Weiche unterschiedlich entfernt sind, sind unterschiedliche Erwärmungen bei allen Weichenheizungen entsprechend dem Stand der Technik unvermeidlich, sodass insbesondere bei Wetterextremen an einigen Stellen der Weiche keine positiven Schienentemperaturen erreicht werden und die Erwärmungsdefizite die Verfügbarkeit der Weiche nicht mehr gewährleisten.
Das Ziel der Erfindung ist auch, dass unabhängig jeglicher Störgrößen an allen bezeichneten Position 46 der Weiche zeitgleich zumindest eine Schienen- Mindesttemperatur von bspw. 1 °C ohne zusätzliche externe Sensoren mit vorhandener Anschlussleistung sicher erreicht wird und Erwärmungsdefizite mit wirtschaftlichen Aufwand vermieden werden.
In Figur 3 ist beispielhaft eine erfindungsgemäße induktive Weichenheizung 1 1 für eine als Block dargestellte Weiche 1 mit induktiven Regelkreisen 35 für die schraffiert dargestellte Backenschiene 5, Zungenschiene 6 und Gleitstuhl 7 an linker Seite 2 und rechter Seite 3 dargestellt.
Die induktive Weichenheizung 11 besteht aus lokaler Wetterstation 30 mit Niederschlagssensor 24, Lufttemperatursensor 26 und zentralen Schienentemperatursensor 25 zur Bildung von Eingangsdaten 105, und Wetterdienst 49 zur Erzeugung von Wetterdienstdaten 103 für den Prognoserechner 101 und Spannungsquelle 62 und Stromverteiler 22 mit Steuereinheit 23, Schaltgerät 27 für jeweils einen Heizabgang 60, Prognoserechner 101 zur Erzeugung von Prognosedaten (106) aus Wetterdienstdaten 103 und Eingangsdaten 105 und Kommunikation Steuereinheit 31 , wobei jeweils ein Heizabgang 60 des Stromverteilers 22 über Heizabgangsleitung 28 mit Anschlusskasten 58 verbunden sind. In Figur 3 ist bspw. für linke Seite 2 und rechte Seite 3 der Weiche 1 je ein Anschlusskasten 58 dargestellt. In Anschlusskasten 58 sind Kommunikation Anschlusskasten 45, Wärmenetzsimulator 40, Leistungssteuerung 41 , Gleichrichter 47, induktive Regeleinrichtungen 54 mit Regler 44 und Generator 32 und nicht dargestellte Leistungsbegrenzung vorhanden, die über jeweilige Anschlussleitung 59 mit Induktor Backenschiene 18, Induktor Zungenschiene 19 sowie zwei in Reihe geschalteten Induktoren Gleitstuhl 17 an linker Seite 2 und rechter Seite 3 der Weiche 1 verbunden und gestrichelt dargestellte jeweils separate Regelkreise 35 bilden, die untereinander und mit der Leistungssteuerung 41 über Bus 53 verbunden sind.
Aus Eingangsdaten 105 und Wetterdienstdaten 103 werden in Prognoserechner 101 Prognosedaten 106 mit zeitlicher Auflösung erzeugt und über Kommunikation Steuereinheit 31 und Kommunikation Anschlusskasten (45) zum Wärmenetzsimulator 40 übertragen.
Der Wärmenetzsimulator 40 liefert Ausgangsdaten 1 10 in Form zeitlicher Verläufe der Schienentemperatur 3 für die Positionen 46 nach Figur 2 und der jeweiligen Anheizzeit tx bis zum Erreichen der jeweiligen Schienen-Solltemperatur £Soii oder Schienen- Mindesttemperatur 3min mit Prognosezeit 117 im zeitlichen Abstand 119 von bspw. einer Stunde für jede Position 46 der dargestellten Backenschiene 5, Zungenschiene 6 und Gleitstuhl 7 der linken Seite 2 und rechten Seite 3 an die Leistungssteuerung 41 .
In der Leistungssteuerung 41 erfolgt die Ermittlung der Führungsgrößen aktive Schienen-Solltemperatur Ssoii akt bzw. aktive Schienen-Mindesttemperatur ömin akt und der aktiven Leistung Pakt für jede Prognosezeit 117 und jeden Regelkreis 54 durch mehrmalige Berechnung mit dem Wärmenetzsimulator 40 mit dem Ziel, mit minimaler aktiver Leistung Pakt alle Führungsgrößen in gleicher Anheizzeit tx bzw. maximaler Anheizzeit tx max bei gleichmäßiger gesamten Leistung zu erreichen.
Wenn beispielsweise starker Schneefall in drei Stunden erwartet wird, werden die Backenschiene 5 der rechten Seite 3 auf aktive Schienen-Solltemperatur ösoii akt, bspw. von - 1 °C und der linken Seite (2) auf 0 °C, innerhalb dieser Anheizzeit tx vorgeheizt, damit die ermittelte aktive Schienen-Solltemperatur öSoii akt vor dem Zeitpunkt des Ereignisses erreicht wird.
Weiterhin kann zumindest ein Induktor 16, in Figur 3 beispielhaft Induktor Backenscheine 18 der rechten Seite 2 und der linken Seite 3 der Weiche 1 mit einem Heizelementsensor 37 zur Detektion der Schienentemperatur 3 und /oder Stellung der Zungenschiene 6 in dem Induktor 16 integriert sein, der jeweils über Energie-Harvasting 29, bspw. durch induktive Kopplung, mit Energie versorgt wird und über Kommunikation Heizelementsensor 43 die Daten zum Wärmenetzsimulator 40 in einem Anschlusskasten 58 überträgt und damit die Zuordnung der Stellung bewegliche Zungenschiene anliegend 77 und Zungenschiene abliegend 76 zur linken Seite 2 und rechten Seite 3 der Weiche 1 in dem Wärmenetzsimulator 40 laufend aktualisiert sowie die Berechnung der Schienentemperatur (-ösoii) in diesen korrigiert wird.
In Fig. 3 ist außerdem beispielhaft an den Backenschienen 5 der linken Seite 2 und rechten Seite 3 je ein Schienentemperatursensor 25 mit Kommunikation Schienentemperatursensor 102 dargestellt, über den die Schienentemperatur 3 erfasst und zum Wärmenetzsimulator 40 übertragen wird.
Eine gleichmäßige Phasenbelastung wird durch Wechsel der Stromversorgungsanschlüsse der Gleichrichter 47 erreicht.
Die Induktoren 16 an den Backenschienen 5 und Zungenschienen 6 werden bspw. mit gleicher spezifischer Leistung Ps, vorzugsweise ca. 320 Watt pro Meter, und Länge L, vorzugsweise 4,75 m, 3,77 m und 2,92 m, zuzüglich einer Leistungsreserve und die Generatoren 32 mit einheitlicher Leistung entsprechend der Nennleistung PN der ohmschen Heizer 20 der jeweiligen Bahngesellschaft zuzüglich einer Leistungsreserve, vorzugsweise mit Nennleistung PN 2 kW, ausgeführt und die jeweilige maximale Leistung Pmax jedes Generators 32 in Abhängigkeit der daran angeschlossenen Induktoren 16 im Wärmenetzsimulator 40 begrenzt .
In Figur 4 ist beispielhaft das Blockschaltbild für induktive Weichenheizung 1 1 mit Stromverteiler 22 und darin vorhandener Steuereinheit 23, Kommunikation Steuereinheit 31 und Prognoserechner 101 , der über Steuereinheit 23 Eingangsdaten 105 einer nicht dargestellten lokalen Wetterstation und Wetterdienstdaten 103 von Wetterdienst 49 erhält, und mit Anschlusskasten 58 und darin angeordneten Wärmenetzsimulator 40, Leistungssteuerung 41 , Regeleinrichtung 54 mit Regler 44, Leistungsbegrenzer 51 , Leistungsquantifizierer 52 und Generator 32 sowie Kommunikation Anschlusskasten 45, und mit an der Weiche 1 vorhandener Regelstrecke 100 mit Induktor 16 und Komponente 10 sowie Messeinrichtungen 108, bestehend aus Heizliniensensor 37, Schienentemperatursensor 25, Kommunikation Heizliniensensor 43 und Kommunikation Schienentemperatursensor 102 dargestellt, wobei Regeleinrichtung 54, Regelstrecke 100 und Messeinrichtung 108 einen induktiven Regelkreis 35 für zumindest eine Komponente 10 bilden.
Im Prognoserechner 101 werden Prognosedaten 106 für bspw. 24 Stunden mit zeitlicher Abstand 1 19 von bspw. einer Stunde erzeugt und zum Wärmenetzsimulator 40 und zur Leistungssteuerung 41 übertragen. Dem Wärmenetzsimulator 40 werden bspw. dauernd 24 Eingangswerte je Prognosezeit 1 17 übergeben. Alle klimatischen Werte, welche an der Wetterstation 30 gemessen werden, ersetzen die Wetterdienstdaten 103 der aktuellen Prognosezeit 117 im jeweiligen Datensatz 11 1 . Ist bspw. ein Windsensor in der Wetterstation 30 vorhanden, ersetzt die aktuell erfasste Windgeschwindigkeit den entsprechenden Augenblickswert der Wetterdienstdaten 103 und die übrigen Wetterdienstdaten 103 werden weiter verwendet.
Die Ausgangsdaten 110 des Wärmenetzsimulators 40 sind zeitliche Verläufe der Schienentemperatur 3 für die an den in Fig. 2 dargestellten Positionen 46 der Komponenten 10 über die gesamte Länge der Weiche 1 für vierundzwanzig Stunden mit Prognosezeit 117 im zeitlichen Abstand 120 bspw. einer Stunde, die an die Leistungssteuerung 41 übergeben werden.
Die Leistungssteuerung 41 hat die Aufgabe, die Führungsgröße aktive Schienen- Solltemperatur öSoii akt und die dafür erforderliche aktive Leistung Pakt für jeden induktiven Regelkreis 35 zu ermitteln, mit der die Komponenten 10 zeitgleich oder innerhalb einer Anheizzeit tx die jeweilige Führungsgröße erreichen und bis zum Ende einer Heizanforderung 75 unabhängig von Wetter und Weichenstellung durch Vorgabe der jeweiligen Führungsgröße und Begrenzung der Leistung des Stellgliedes 79 auf die jeweilige aktive Leistung Pakt über Leistungsbegrenzung 51 im induktiven Regelkreis 35s sowie Organisation von Leistungsaustausch unter Berücksichtigung der maximalen Gesamtleistung für die Weiche 1 , die bspw. der Anschlussleistung PA entspricht.
Dazu arbeitet die Leistungssteuerung 41 in einen dreistufigen Prozess. erster Schritt 1 12: Die Prognosedaten 106 werden hinsichtlich Wetterereignissen analysiert und die Ergebnisse klassifiziert. Nach diesem Schritt stehen Bedingungen, zu welcher Prognosezeit 1 17 welche Schienen-Solltemperaturen £Soii bzw. minimale Schienen-Solltemperaturen öSoii min erreicht werden müssen, fest. Zum Beispiel, wenn starker Schneefall in drei Stunden über Wetterdienst prognostiziert wird, soll die Backenschiene bereits in zwei Stunden auf minus ein Grad Celsius vorgeheizt werden, damit bei Eintreffen des Ereignisses die Schienen-Solltemperatur in der Anheizzeit tx sicher erreicht und gehalten wird. zweiter Schritt 1 13: In dieser Schritt ermittelt die Leistungssteuerung 41 die minimal benötigte Leistung, die der aktiven Leistung Pakt des Stellgliedes 79 für den induktiven Regelkreis 35 entspricht, damit die aus Schritt eins ermittelten Schienen- Solltemperaturen ösoii bzw. minimale Schienen-Solltemperaturen ^soii min innerhalb einer oder gleicher Anheizzeit tx erreicht wird. dritter Schritt 1 14: Die Leistung des Stellgliedes 79 auf die ermittelte aktive Leistung Pakt begrenzen und aktive Schienen-Solltemperatur öSoii akt bzw. minimale Schienen- Solltemperaturen ösoii min akt vorgeben. Dazu wird die in der Leistungssteuerung 41 ermittelte aktive Leistung Pakt zur Leistungsbegrenzung 51 des induktiven Regelkreises 35 übertragen und ggf. über Leistungsquantifizierung 52 in Stufen eingestellt. Die minimal benötigte Leistung entspricht der aktiven Leistung Pakt des Stellgliedes 79, in dem die Stellgröße mittels Leistungsbegrenzung 51 auf diesen Wert begrenzt wird. Die Ermittlung der aktiven Leistung Pakt erfolgt durch mehrmalige Berechnung des Wärmenetzsimulators 40 und schrittweiser Anpassung der aktiven Leistung Pakt, bis alle Komponenten 10 der Weiche 1 die aktive Schienen-Solltemperatur öSoii akt und /oder Schienen-Mindesttemperatur 3min in einer vorgegeben oder gleichen Anheizzeit tx erreichen.
Mittels Leistungssteuerung 41 kann unter Berücksichtigung der Anschlussleistung PA die Leistung P jedes Stellgliedes 79 während des Regelungsprozesses zwischen 0% und 100% durch Leistungsbegrenzung 51 im Bereich 0 bis 1 zwischen Minimal- und Maximalwert verändert und über Leistungsquantifizierung 52 in vordefinierten Stufen variiert werden.
Die Zuordnung der Stellung der beweglichen Zungenschiene anliegend 77 oder Zungenschiene abliegend 76 zur linken Seite 2 und rechten Seite 3 der Weiche 1 erfolgt im Wärmenetzsimulator 40 in Auswertung der Messwerte der Heizelementsensoren 37 oder Schienentemperatursensoren 25 oder Auswertung der Induktivität der Induktoren 16, die sich in Abhängigkeit der Stellung der beweglichen Zungenschiene 5 über Änderung der Permeabilität verändert.
Wenn die vorhandene Nennleistung PN eines Induktors 16 nicht ausreicht, wird die aktive Leistung Pakt des jeweiligen Generators 32 bis zur maximal Leistung P maxdes Induktors 16, die bspw. der Nennleistung PN zuzüglich der Leistungsreserve entspricht, zu Lasten anderer induktiver Regelkreise 35 der Weiche 1 unter Einhaltung der Anschlussleistung PA erhöht.
In Figur 5 ist beispielhaft ein Teil des Blockschaltbilds für eine ohmsche Weichenheizung 109 dargestellt, deren Funktionsblöcke sich gegenüber der induktiven Weichenheizung 1 1 ändern. Die unveränderten Funktionsblöcke sind nicht dargestellt:
Im Anschlusskasten 58 sind ohmscher Regelkreis 34 für die Beheizung der Komponente 10 der Weiche 1 , bestehend aus ohmscher Regeleinrichtung 55 mit Regler 44, Einschaltverzögerung 48 und Schwingungspaketsteuerung 87 und Regelstrecke 100 mit ohmschen Heizer 20 an Komponente 10. sowie Leistungssteuerung 41 und nicht dargestellter Wärmenetzsimulator 40 sowie Kommunikation Anschlusskasten 45 vorhanden.
Die Leistungssteuerung 41 hat die Aufgabe, die Führungsgröße aktive Schienen- Solltemperatur Ssoii akt und die dafür erforderliche aktive Einschaltverzögerung tEV akt für den ohmschen Regelkreis 34 zu ermitteln, mit der die Komponenten 10 zeitgleich oder innerhalb einer Anheizzeit tx die jeweilige Führungsgröße erreichen und bis zum Ende einer Heizanforderung 75 unabhängig von Wetter und Weichenstellung durch Vorgabe der jeweiligen Führungsgröße und Begrenzung der Leistung des Stellgliedes 79 auf die jeweilige aktive Leistung Pakt mittels aktiver Einschaltverzögerung tv akt für die Einschaltdauer ED einer Schwingungspaketsteuerung 87 im ohmschen Regelkreis 34 unter Berücksichtigung der maximalen Gesamtleistung für die Weiche 1 , die bspw. der Anschlussleistung PA entspricht.
Die Leistungssteuerung 41 arbeitet in einen dreistufigen Prozess analog Fig. 4 mit folgenden Änderungen: zweiter Schritt 1 13 In dieser Schritt ermittelt die Leistungssteuerung 41 die minimal benötigte Leistung und die dafür erforderliche Einschaltverzögerung IEV für eine Einschaltdauer ED innerhalb von Schwingungspaketdauer SD des Stellgliedes 79 für den ohmschen Regelkreis 34, damit die aus Schritt eins ermittelte aktiven Schienen- Solltemperaturen Ssoii akt bzw. minimale Schienen-Solltemperaturen innerhalb einer oder gleicher Anheizzeit tx erreicht werden. dritter Schritt 1143: Stellgröße 79 auf die ermittelte Einschaltdauer ED begrenzen und aktive Schienen-Solltemperatur öSoii akt vorgeben. Dazu wird die ermittelte Einschaltverzögerung IEV zum Verzögerungsglied 48 übertragen und dadurch die Einschaltdauer ED innerhalb von Schwingungspaketdauer SD gestellt.
Die Ermittlung der Einschaltverzögerung t EV erfolgt durch mehrmalige Berechnung des Wärmenetzsimulators 40 und schrittweiser Anpassung der aktiven Einschaltverzögerung tEVakt, bis alle Komponenten 10 der Weiche 1 die aktive Schienen- Solltemperatur ösoii akt und /oder aktive Schienen-Mindesttemperaturen ^soii min akt in einer vorgegeben oder gleichen Anheizzeit tx mit minimaler Leistung bei Einhaltung der Anschlussleistung erreichen.
Wenn die vorhandene Leistung der ohmschen Heizer 20 nicht ausreicht, werden zusätzliche ohmsche Heizer 20 oder andere benachbarte ohmschen Heizer 20 mit der verfügbaren Leistungsdifferenz unter Berücksichtigung der Anschlussleistung PA aktiviert.
In Figuren 6a bis 6d ist die schrittweise Bildung der im Wärmenetzsimulator 40 erzeugten Ausgangsdaten 106 dargestellt.
In Figur 6a sind beispielhaft auszugsweise sechs Prognosedaten 106 des Wärmenetzsimulator 40und die daraus jeweils ermittelten Ausgangsdaten 1 10 für Zungenschiene anliegend 77 und Zungenschienen abliegend 76 mit Angabe der jeweiligen Positionen 46 für Backenschienen Fuß 5f, Backenschiene Kopf 5K, Zungenschienen Fuß 6F, Zungenschiene Kopf 6K Gleitstuhl Mitte 7M und Gleitstuhl Außen 7A eines Weichensegments 50 der Weiche 1 , von insgesamt bspw. 12 möglichen Ausgangsdaten 110 dargestellt. In Abhängigkeit der Stellung der Zungenschiene 6 sowie der vorhandenen Konvektions- und Wärmeübertragungsverluste sind die zeitlichen Temperaturverläufe sehr unterschiedlich. Die daraus folgenden Erwärmungsdefizite werden erfindungsgemäß über Anpassung der Leistung P der Stellglieder 79 ohmscher Regelkreise 34 und induktiver Regelkreise 35 während der gesamten Zeit vermieden.
Entsprechend Figur 6b werden dem Wärmenetzmodell die aktuelle Schienentemperatur 3 als Einzelwert und alle anderen Größen als Prognosedaten 106 für 24 Stunden mit einer zeitlichen Auflösung von 1 Stunde übergeben. Dem Wärmenetzsimulator 40 werden daher immer 24 Prognosewerte je Prognosezeit 117 übergeben. Alle klimatischen Werte, welche an der Anlage gemessen werden können, werden als Augenblickswert im jeweiligen Datensatz 11 1 ersetzt. Ist z.B. ein Niederschlagssensor mit Detektion von Niederschlagsmenge verbaut, kann diese als Augenblickswert verwendet werden. Ist bspw. kein Windsensor vorhanden, kann die Windgeschwindigkeit aus den aktuellen Wetterdienstdaten 103 des Wetterdienstes 49 verwendet werden.
Entsprechend Figur 6c werden im Wärmenetzsimulator 40 die zeitlichen Verläufe der Schienentemperatur 3 für 24 Stunden mit Prognosezeit 1 17 im Abstand 1 Stunde für die anliegende Zungenschiene 77 und abliegende Zungenschiene 76 geliefert. In Figur 6c sind bspw. jeweils zwei Verläufe der Schienentemperatur 3 für Zungenschiene anliegend Indizes an und für Zungenschiene abliegend Indizes ab für die Positionen 46 Backenschiene Fuß 5F, Backenschiene Kopf 5K, Zungenschiene Fuß 6F und Zungenschiene Kopf 6K dargestellt.
In Figur 6d ist die stufenweise Bearbeitung der Leistungsteuerung 41 für induktive Regelkreise 35 dargestellt.
Im ersten Schritt 1 12 werden die Prognosedaten 105 hinsichtlich Wetterereignissen analysiert und die Ergebnisse klassifiziert. Nach diesem Schritt stehen Bedingungen, zu welchen Zeitpunkt welche minimale Schienen-Solltemperaturen 3 min Soii erreicht werden müssen, fest. z.B., wenn starker Schneefall in 3 Stunden erwartet wird, sollen die Backenschienen 5 der Weiche 1 bspw. in zwei Stunden auf berechnete - 1 °C und die Gleitstühle 7 auf berechnete - 3 °C vorgeheizt werden.
Im zweiten Schritt 113 wird die aktive Leistung Pakt bestimmt, damit die aus dem ersten Schritt 1 12 ermittelte minimale Schienen-Solltemperatur 3 min SOII vor dem Zeitpunkt des Ereignisses erreicht wird. Die aktive Leistung Pakt entspricht der minimal benötigten Leistung, um bspw. die Komponenten 10 der Weiche 1 mit einer Schienentemperatur 3 von - 1 °C in einer Anheizzeit tx von weniger als bspw. zwei Stunden auf Schienen- Solltemperatur ösoii zu erwärmen. Im dritten Schritt 1 14 wird die Stellgröße des Stellgliedes 79 auf die aktive Leistung Pakt begrenzt und die aktive Schienen-Solltemperatur 3 Son akt als Führungsgröße vorgegeben.
In Figuren 7a bis 7c ist beispielhaft die Ermittlung der aktiven Leistung Pakt für induktive Regelkreise 35 mit Leistungsquantifizierung 52 zum Erreichen der Schienen- Solltemperatur ösoii an drei Positionen 46 der Weiche 1 innerhalb einer vorgegebenen Zeit tx dargestellt. Die Position p1 ist beispielhaft an Backenschiene-Fuß 5t, Position p2 an Zungenschienen-Fuß 6t und die Position p3 an Gleitstuhl-Mitte GM, beispielsweise an der Weichenspitze, zugeordnet. Die Berechnung der aktiven Leistung Pakt erfolgt durch mehrmalige Berechnung im Wärmenetzsimulator 40 mit schrittweiser Anpassung der aktiven Leistung Pakt in bspw. 25 % Schritten, bis an allen Positionen p1 , p2 und p3 die Schienen-Solltemperatur x>soii in der Anheizzeit tx erreicht wird.
Entsprechend Figur 7a wird mit einer aktiven Leistung Pakt von 25 % für alle Regelkreise begonnen. Lediglich an der Position p1 wird bis zum Zeitpunkt tx-Pi die Schienen- Solltemperatur erreicht. An den Positionen p2, hier bspw., der Zungenschienen-Fuß und an der Position p3, hier bspw., die Position Gleitstuhl-Mitte wird mit 25 % der Leistung P die Schienen-Solltemperatur x>soii in einer vorgegebenen Zeit tx nicht erreicht werden und die Anheizzeit scheitert (fail).
In Figur 7b wird deshalb die aktive Leistung Pakt der Regelkreise 359 für die Erwärmung der Komponenten entsprechend den Positionen p2 und p3 auf 50 % erhöht. Im Ergebnis der Berechnung mit 50 % aktiver Leistung Pakt zeigt, dass an der Position p2 die Schienen-Solltemperatur x>soii in der Anheizzeit tx erreicht wird und an der Position p3 die Schienen-Solltemperatur x>soii die der vorgegebenen Anheizzeit tx nicht erreicht wird und damit diese Anheizzeit scheitert (fail).
In Figur 7c wird deshalb die aktive Leistung Pakt der Regelkreise 35 für die Erwärmung der Komponenten entsprechend der Positionen p3 auf 75 % erhöht. Im Ergebnis der Berechnung mit 75 % aktiver Leistung Pakt zeigt, dass an der Position p3 die Schienen- Solltemperatur ^soii in der Anheizzeit tx erreicht wird und damit alle Positionen die Schienen-Solltemperatur x>soii in der vorgegebenen Anheizzeit tx erreichen.
Deckt hingegen ein Regelkreis 35 mehrere Positionen 46 ab, wird die aktive Leistung Pakt so gewählt, dass alle Positionen 46 zuverlässig die Schienen-Solltemperatur öSoii bzw. die Schienen-Mindesttemperatur 3min innerhalb der vorgegeben Anheizzeit tx erreichen. Dies ist bspw. der Fall, wen das Heizelement am Schienenfuß angeordnet ist und am Schienenkopf eine minimale Schienentemperatur von bspw. + 1 °C gewährleistet werden soll. In diesem Fall werden Erwärmungsdefizite an den funktionsrelevanten Komponenten 10 der Weiche 1 , bspw. am nicht direkt beheizten Schienenkopf, vermieden.
In Figuren 8a und 8b ist beispielhaft ein derartiges System mit Ermittlung der aktiven Leistung PaktT für drei nicht dargestellte Regelkreise 35 ohne Leistungsquantifizierung mit Heizelementen an den nicht dargestellten Komponentenl O Backenschiene, Zungenschienen und Gleitstuhl und Anpassen der Leistung jedes Regelkreises zum Erreichen der Schienen-Solltemperatur öSoii an den Positionen p1 ,p2 und p3 und Erreichen der Schienen-Mindesttemperatur 3min an den weiteren Positionen p4 und p5 der gleichen Komponenten 10 innerhalb der Anheizzeit tx. Die Position p1 ist beispielhaft an der Position Backenschiene-Fuß, die Position p2 an dem Zungenschienen-Fuß, die Position p3 an Gleitstuhl-Mitte, die Position p4 an Backenschiene-Kopf und die Position p5 an Zungenschiene -Kopf der Backenschiene bzw. Zungenschiene bspw. der Weichenmitte zugeordnet.
Entsprechend Figur 8a wird unter Ausnutzung der nicht dargestellten Anschlussleistung PA für jeden Regelkreis 35 die erforderliche aktive Leistung Pakt zum Erreichen der Schienen-Solltemperatur öSoii berechnet. Für die Position p1 wird bspw. die aktiv prozentuale aktive Leistung von 70 %, für Position p2 die Leistung von 100 % und für Position p3 die Leistung von 120 % im Wärmenetzsimulator 40 ermittelt. Mit diesen Leistungen werden im Diagramm Fig. 8a zur Anheizzeit tx die Schienen- Solltemperaturen öSoii an den Positionen p1 , p2 und p3 erreicht. Die Schienen- Mindesttemperaturen 3min an Position p4 wird ebenfalls in der Anheizzeit tx erreicht, aber die Schienen-Mindesttemperatur 3min an der Position p5 wird zur Anheizzeit tx nicht erreicht (fail).
Entsprechend Figur 8b wird deshalb die prozentuale aktive Leistung Pakt dieses Regelkreises für Zungenschienen-Fuß mit Position p2 von 100 % auf 110 % erhöht. Damit wird für Position p2 die Schienen-Solltemperatur x>soii vor der Anheizzeit tx und am Zungenschienen-Kopf die Schienen-Mindesttemperatur 3min zur Anheizzeit tx erreicht.
Nach Figur 9 ist beispielhaft für eine Weichenheizung mit ohmschen Regelkreis 34 die gleichzeitige Erreichung der Schienen-Solltemperatur öSoii durch Verändern der Einschaltdauer ED mittels variabler Einschaltverzögerung t v innerhalb von Schwingungspaketdauer SD einer Schwingungspaketsteuerung 87 dargestellt. Bei einer Schwingungspaketdauer SD von bspw. einer Minute und jeweiliger Einschaltdauer ED von Null bis 1 Minute je Schwingungspaketdauer SD kann die Leistung P für jeden Regelkreis 34 zwischen Null und 100 % eingestellt werden. Durch Anordnung nicht dargestellter zusätzlicher Heizer 20 mit Regelkreise 34 an üblicherweise nicht direkt beheizten Komponenten 10 der Weiche 1 können ohne Erhöhung der Anschlussleistung PA Erwärmungsdefizite an bspw. den Gleitstühlen und/oder den Zungenschienen derselben vermieden werden, indem die Einschaltverzögerung t v an diesen zusätzlichen Heizelementen unter Einhaltung der Anschlussleistung PA aktiviert wird.
In Figur 10 ist das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Generators 32 für induktive Weichenheizung 1 1 mit selbstschwingenden Schwingkreis 73 mit Resonanzprinzip, Leistungsstufe 67 in Halbbrückenschaltung mit ersten Halbleiterschalter 68 und zweiten Halbleiterschalter 69 und Schalten derselben im Stromnulldurchgang mittels Nullstromdetektor 65 zwischen Schwingkreis 73 und Halbleiterschalter 68, 69 Steuerung der Leistung zwischen Null und 100% durch Wiedereinschaltverzögerung tv der Halbleiterschalter 68, 69 über Steuerlogik 66 erfolgt und der Schwingkreis 73 aus Induktor 16 und Aufteilung Resonanzkondensator 70 ausgeführt ist, und Überwachungseinrichtungen 72 für Temperatur, Strom; Spannung, Isolationswiderstand und Induktor sowie Controller 74 mit Bus 53 , Gleichrichter 47 und Spannungsquelle 62 vorhanden sind
In Figuren 1 1 a bis 1 1d ist beispielhaft das Verstellen der Leistung des Generators 32 in Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs der Schaltzustände an ersten Halbbrückenschalter 68 und zweiten Halbbrückenschalter 69 und die Schwingungsdauer T der Resonanzspannung U Res und Resonanzstrom I Res am Schwingkreis 73 ohne und mit Wiedereinschaltverzögerung tv zwischen den Schaltzeiten ts der Halbrückenschalter 68 und 69 dargestellt.
Entsprechend Figur 11 a werden die Halbbrückenschalter 68, 69 ohne Wiedereinschaltverzögerung tv geschalten. Zur Schaltzeit tso wird der erste Halbbrückenschalter 68 mit Einschaltdauer ED eingeschaltet und zur Schaltzeit ts2 ausgeschalten und der zweite Halbbrückenschalter 69 zur Schaltzeit t S2 mit gleicher Einschaltdauer ED eingeschaltet und zur Schaltzeit Zeit t S4 ausgeschalten und diese Schaltfolge fortlaufend wiederholt.
In Figur 11 b ist der zeitliche Verlauf von Resonanzspannung U Res und Resonanzstrom I Res in Abhängigkeit der Schaltzustände der Halbrückenschalter 68, 69 nach Figur 1 1 a dargestellt. Ab Schaltzeit tso steigt der Resonanzstrom lRes sinusförmig an und kehrt zur Schaltzeit t S2 seine Polarität um und beendet zur Schaltzeit t S4 eine Schwingung mit minimaler Schwingungsdauer Tmin und nicht dargestellter hoher Leistung des Generators 32 ist abgeschlossen und wiederholt sich. Die Resonanzspannung U Res eilt um 90° nach.
In Figur 1 1c werden die Halbbrückenschalter mit Wiedereinschaltverzögerung tv geschalten. Zur Schaltzeit tso wird der erste Halbbrückenschalter 68 mit Einschaltdauer ED eingeschaltet und zur Schaltzeit ts2 ausgeschalten und nach Wiedereinschaltverzögerung zur Schaltzeit t S2- wird der zweite Halbbrückenschalter 69 mit Einschaltdauer ED eingeschaltet und zur Schaltzeit Zeit t S4 ausgeschalten und die Schaltfolge fortlaufend wiederholt.
In Figur 11 d ist der zeitliche Verlauf von Resonanzspannung U R6S und Resonanzstrom I Res in Abhängigkeit der Schaltzustände der Halbrückenschalter 68, 69 nach Fig. 11 c dargestellt. Ab Schaltzeit tso steigt der Resonanzstrom lRes geringer sinusförmig an und kehrt zur Schaltzeit t S2 seine Polarität um und beendet zur Schaltzeit t S4 eine Schwingung mit maximaler Schwingungsdauer Tmax und nicht dargestellter geringer Leistung des Generators 32 ist abgeschlossen und wiederholt sich. Die Resonanzspannung U R6S eilt um 90° nach.
In Figur 12 ist bspw. die Befestigung Induktor Backenschiene 18 an einer Backenschiene 5 mittels Anschlusskopfbefestigung 91 dargestellt. Die Anschlusskopfbefestigung umschließt den Induktoranschluss 98 an beiden Seiten und verhindert damit das Verrutschen des Induktors in Längsrichtung der Backenschiene 5. Über Klemmen 97 wird der Induktor Backenschiene 18 über die Länge L an den Steg der Backenschiene 5 gedrückt.
In Figur 12a ist beispielhaft die Ausführung eines Induktors 16 mit Induktorwicklung 33 und zweiten Induktorwicklung 38 dargestellt. Induktoren 16 können mit einer Induktorwicklung 33 und mit einer zweiten Induktorwicklung 39 ausgeführt werden, wobei die Stromrichtung der Induktorwicklungen 33, 38 gleich ist. Der Induktor 16 mit einer Wicklung 33 weist eine Anschlussstellen 78 mit Wicklungsanfang und Wicklungsende an einer Stirnseite des Induktors 16 auf. Der Induktor 16 mit einer Induktorwicklung 33 und einer zweiten Induktorwicklung 38 entsprechend Figur 12a weist Anschlussstellen 78 an beiden Stirnseiten des Induktors 16 auf, wobei eine Induktorwicklung 33 aktive Hinleitung des Wechselstromes und zweite Induktorwicklung 38 aktive Rückleitung des Wechselstromes übernimmt und mehrere Induktoren 16 in Reihe an einen Generator32 geschaltet werden können, indem eine Anschlussstelle 78 des ersten Induktors 16 mit Generator 32 und dessen zweite Anschlussstelle 78 mit einer Anschlussstelle 78 des nächsten Induktors 16 verbunden wird und die Anschlussstellen 78 des letzten Induktors gebrückt werden und dadurch die Verluste aus der Rückleitung zum Generator 32 vermieden werden.
Die technischen Daten, wie bspw. Länge L, Nennleistung PN, spezifische Leistung Ps der Induktoren 16 für Backenschienen 5 und Zungenschienen 6 entsprechen vorzugsweise den derzeitigen Heizelementen 9 der jeweiligen Bahngesellschaft, sodass diese kompatibel zur Bestückung der Weichen mit Heizelementen 9 entsprechend dem Stand der Technik sind. Die Induktoren 16 werden bspw. in Länge L von 2820 mm mit Nennleistung PN 900 Watt, Länge 3770 mm mit Nennleistung PN 1200 Watt und Länge L von 4750 mm mit Nennleistung PN 1500 Watt mit jeweiliger spezifischen Heizleistung Ps bspw. ca. 320 Watt pro Meter Länge L ausgeführt. Die Induktoren 16 werden mit Induktorkörper 80, Induktorwicklung 33, 38 in einer oder mehrere Lagen ausgeführt. Der Induktorkörper 80 besteht vorzugsweise aus stranggezogene Faserprofilen und umschließt die darin eingeschlossener Induktorwicklung 33, 38 luftdicht.
In Figur 12b ist eine Schnittdarstellung eines Spulenkörper 80 für Induktor 16 mit Induktorwicklung 33, 38 mit Angabe der jeweiligen Stromflussrichtung , bestehend aus zwei gleichen Strangpressprofilen 99 aus Faserverbundwerkstoff mit asymmetrischer Anordnung von Nuten 118 und Stegen 1 19 mit gleicher Abmessungen über die Breite B des Induktorkörpers 80, wobei jeweils eine Lage einer Induktorwicklung 33, 38 in Nuten 1 18 mit Wicklungsfenster F angeordnet wird und zumindest zwei Spulkörper 80 gegeneinander so angeordnet werden, dass die Stege 119 der Induktorkörper 80 in die Nuten 1 18 des anderen Induktorkörpers 80 zumindest teilweise eingreifen und dadurch fixiert werden und miteinander verklebt werden.
In Figur 13 ist beispielhaft ein Übersichtsplan einer Weichenheizung entsprechend dem Stand der Technik mit einer Weiche 1 mit linker Seite 2 (von Weichenspitze gesehen) und beispielhafter Stellung Zungenschiene anliegend 77 und rechter Seite 3 mit beispielhafter Stellung Zungenschiene abliegend 76 dargestellt, die mit ohmschen Heizern 20 an den Backenschienen 5 zwischen Schwellen 4 Nummer 2 bis 8 und Nummer 9-16 und an den Zungenschienen 6 zwischen Schwellen 4 Nummer 3 bis 7 sowie im Verschlussfach 15 an den Verschlussfachblech 90 der Weiche 1 bestückt ist.
An den Schwellen 4 Nummer 2 und Nummer 3 sind schwarz dargestellte Rollengleitstühle 61 sowie zwischen den Schwellen 4 Nummer 10 und Nummer 16 sind schwarz dargestellte Stützknaggen 8 angeordnet, die nicht mit Heizelementen bestückt sind.
Außerdem ist eine Wetterstation 30 mit zentralen Schienentemperatursensor 25 an einer Backenschiene 5 und Niederschlagssensor und Lufttemperatursensor 26 und Wetterdienst 49 und Steuereinheit 23 und ein Schaltgerät 27 für jede Weiche 1 vorhanden.
Über Anschlusskasten 58, in denen Klemmen 97 zum parallelen Anschluss der Heizelemente 20 angeordnet sind, werden alle ohmschen Heizer 20 über Heizelementleitungen 89 und Heizabgangsleitung 28 mit einem Heizabgang 60 verbunden und bei nicht dargestellter witterungsbedingter Heizanforderung werden die Schaltgeräte 27 bspw. in Zweipunktregelung über die Steuereinheit 23 synchron geschalten. Die Regelung auf Schienensolltemperatur, bspw. + 7 °C und Hysterese von 4 Kelvin erfolgt über einen zentrale Schienentemperatursensor 25 an einer Backenschiene 5 der linken Seite 29 an der Position 46 Backenschienen Fuß 5F zwischen Schwelle 4 Nummer 1 und 2 der linken Seite (2) und Zungenschiene anliegend 77. Der Schienentemperatursensor 25 ist an einer Backenschiene 5 angeordnet, sodass nur an dieser Position 46 und an der linken Seite 2 mit bspw. Stellung Zungenschiene anliegend 77 auf die fixe Schienen- Solltemperatur von + 7 °C mit Hysterese 4 Kelvin geregelt wird und die übrigen mit ohmschen Heizer 20 bestückte Komponenten 10 synchron ein- und ausgeschalten werden und die bereits beschriebenen Erwärmungsunterschiede bestehen.
In Figur 14 ist ein beispielhafter Übersichtsplan einer einer erfindungsgemäßen Weichenheizung mit ohmschen Regelkreisen 55 und damit über Heizleitung 89 verbundenen ohmschen Heizern 20 an den Backenschienen 5 sowie induktiven Regeleinrichtungen 54 mit Induktoren Zungenschiene 19, Induktoren Gleitstuhl 17 Induktoren Weichenverschluss 21 sowie Induktoren Stützknaggen 81 bestückt.
Im Einzelnen sind bspw. die ohmschen Heizer 20 an Backenschienen 5 und die Induktoren Zungenschienen9 an Zungenschienen 6 der linken Seite 2 und der rechten Seite 3 über Regeleinrichtungen 54,55 links der Weichenmitte 83 und rechts der Weichenmitte 83 bezüglich Schienen-Solltemperatur individuell parametrierbar und über separate Regeleinrichtungen 54,55 regelbar.
Die Induktoren Stützknaggen 81 der linken Seite und der rechten Seite sind alle in Reihe geschalten und bilden mit einer induktiven Regeleinrichtung 54 einen separaten Regelkreis.
Die Induktoren Gleitstuhl 61 und Weichenverschluss 21 sind in Reihe mit einem jeweils Induktor Zungenschiene 19 der linken Seite 2 und der rechten Seite 3 geschalten, Vorteil dieser Ausführung sind gleichmäßige Erwärmung der Komponenten der linken Seite 2 und der rechten Seite sowie kontinuierlicher Lastverlauf über die Heizzeit sowie höhere Verfügbarkeit bei Wetterextremen sowie Vermeidung von Störungen durch Ausfall der ohmschen Heizer oder der Induktoren 19, 81 , 81 durch Abschalten der fehlerhaften und Nutzung der dadurch frei gewordenen Leistung durch die unmittelbar benachbarten Heizer 20 bzw. Induktoren sowie Ertüchtigung vorhandener Anlagen für Erweiterung der Betriebsgrenze.
In Figur 15 ist ein Teilstück einer Weiche 1 mit Schwelle 4 und Backenschiene 5 mit Induktor Backenschiene 20 und Zungenschiene 6 mit Induktor Zungenschiene 19 und Gleitstuhl 7 mit Induktor Gleitstuhl 17, der über Gleitstuhlhalterung 92 an der Backenschiene 5 über Anschlusskopfbefestigung 91 befestigt ist.
In Figur 15a ist ein Schnitt A entsprechend Fig. 15 ein Gleitstuhl 7 mit daran seitlich angeordnetem Induktor Gleitstuhl 17 mit C-Ferritkern und einer Induktorwicklung 33 dargestellt. Zur Anpassung der Leistung können mehrere C-Ferritprofile mit jeweiliger Induktorwicklung in einem Induktor Gleitstuhlplatte angeordnet werden. In Figur 15b ist in einer Schnittdarstellung Schnitt B entsprechend Fig. 15 ein Gleitstuhl 7 mit daran seitlich angeordnetem Induktor Gleitstuhl 17 mit zwei E-Ferritkern und zwei Induktorwicklungen 33 mit Wechsel der Wicklungsrichtung nach jeden Mittelsteg des E- Ferritkerns dargestellt. Zur Anpassung der Leistung können mehrere E-Ferritprofile mit jeweiliger Induktorwicklung in einem Induktor Gleitstuhl 17 angeordnet werden.
In Figur 16 ist ein Teilstück einer Weiche 1 in Draufsicht auf eine Backenschienenö mit Stützknaggen 8 und Induktor Stützknagge 81 mit Induktorwicklung 33 und Magnetflussrichtung 95 dargestellt. Die Befestigung des Induktors Stützknagge 81 erfolgt mittels nicht dargestellter Halterung und Anschlusskopfbefestigung 91 am Fuß der Backenschiene 5.
Figur 17 ist eine Draufsicht auf einen Gleitstuhl 7 an einer Weichenspitze 6. In dieser Ausführungsform sind ein Induktor Gleitstuhl Stabferrit 122 mit Stabferrit 127 und ein Induktor Topfferrit 123 mit Topfferrit 128 am Gleitstuhl 7 vorgesehen. Dauermagnete 126 dienen dazu, die jeweiligen Induktoren 122, 123 zu positionieren und zu fixieren. Eine Schienenklemme 124 befestigt einen hier nur angedeuteten Induktoranschluss 98.
In Figur 17a wird der Schnitt D-D aus Figur 17 dargestellt, d.h. ein Schnitt durch den Induktor Gleitstuhl Stabferrit 122. Dieser Induktor 122 wird mittels der Dauermagnete 126 am Gleitstuhl 7 gehalten. Zentral im Induktor 122 ist der Stabferrit 127 angeordnet, der mit einer Induktorwicklung 33 umgeben ist.
In Figur 17b wird der Schnitt C-C aus Figur 17 dargestellt, d.h. ein Schnitt durch den Induktor Topfferrit 123. Dieser Induktor 123 wird mittels der Dauermagnete 126 auf dem Gleitstuhl 7 gehalten, wobei der Induktor 123 den Topfferrit 128 umgibt, in dessen Innerem die Induktorwicklung 33 dargestellt ist. Die Pfeile bei Bezugszeihen 95 zeigen die Magnetflussrichtung an.
Bezugszeichen
1 Weiche
2 linke Seite
3 rechte Seite
4 Schwelle
5 Backenschiene
6 Zungenschiene
7 Gleitstuhl
8 Stützknagge
9 Heizelement
10 Komponente
1 1 Induktive Weichenheizung
12 Anheizzeit
13 Regelzeit
14 Zwischenzeit 15 Weichenverschluss
16 Induktor
17 Induktor Gleitstuhl
18 Induktor Backenschiene
19 Induktor Zungenschiene
20 ohmscher Heizer
21 Induktor Weichenverschluss
22 Stromverteiler
23 Steuereinheit
24 Niederschlagssensor
25 Zentraler Schienentemperatursensor
26 Lufttemperatursensor
27 Schaltgerät
28 Heizabgangsleitung
29 Energie Harvasting
30 Wetterstation
31 Kommunikation Steuereinheit
32 Generator
33 Induktorwicklung
34 ohmscher Regelkreis
35 Induktiver Regelkreis
36 Schienen-Solltemperatur
37 Heizelementsensor
38 Zweite Induktorwicklung
39 Verbindungsleitung
40 Wärmenetzsimulator
41 Leistungssteuerung
42 Schienen-Isttemperatur
43 Kommunikation Heizelementsensor
44 Regler
45 Kommunikation Anschlusskasten
46 Position
47 Gleichrichter
48 Verzögerungsglied
49 Wetterdienst
50 Weichensegment
51 Leistungsbegrenzung
52 Leistungsquantifizierung
53 Bus
54 Induktive Regeleinrichtung
55 ohmsche Regeleinrichtung
56 Wärmeübertragung
57 Sensormittel
58 Anschlusskasten
59 Anschlussleitung
60 Heizabgang
61 Rollengleitstuhl
62 Spannungsquelle
63 Vorheizen
64 Energieversorgung Elektronik
65 Nullstrom Detektor
66 Steuerlogik
67 Leistungsstufe
68 Erster Halbleiterschalter 69 Zweiter Halbleiterschalter
70 Resonanzkondensator
71 Induktiver Sensor
72 Überwachung
73 Schwingkreis
74 Controller
75 Heizanforderung
76 Zungenschiene abliegend
77 Zungenschiene anliegend
78 Anschlussstelle
79 Stellglied
80 Induktorkörper
81 Induktor Stützknaggen
82 Weichenspitze
83 Weichenmitte
84 Weichenende
85 Schienenbefestigung
86 Heizelementsensor
87 Schwingungspaketsteuerung
88 Reihenschaltung
89 Heizelementleitung
90 Verschlussblech
91 Anschlusskopfbefestigung
92 Gleitstuhlhalterung
93 C-Ferritkern
94 E-Ferritkern
95 Magnetflussrichtung
96 Gleitstuhlunterlage
97 Klemme
98 Induktoranschluss
99 Strangpressprofil
100 Regelstrecke
101 Prognoserechner
102 Kommunikation
103 Wetterdienstdaten
104 Kommunikation dezentraler Schienentemperatursensor
105 Eingangsdaten
106 Prognosedaten
107 Steuerdaten
108 Messeinrichtung
109 ohmsche Weichenheizung
110 Ausgangsdaten
111 Datensatz
112 erster Schritt
113 zweiter Schritt
114 dritter Schritt
115 Induktiver Heizer
116 Temperatursensor
117 Prognosezeit
118 Nuten
119 Stege
120 Zeitlicher Abstand
121 Rückführung
122 Induktor Gleitstuhl Stabferrit 123 Induktor Topfferrit
124 Schienenklemme
125 Karbonfaser
126 Dauermagnet
127 Stabferrit
128 T opfferrit
129 Aufnahme Schaltschrankschlüssel
130 Induktorleitung
200 erfindungsgemäßes System
300 erfindungsgemäße Vorrichtung
ED Einschaltdauer
SD Schwingungspaketdauer
PN Nennleistung
PA Anschlussleistung
Pmin minimale Leistung
Ps spezifische Leistung
P HA Leistung Heizabgang
P max maximale Leistung
P Leistung
Pakt aktive Leistung
PN Nennleistung
3SOII Schienen-Solltemperatur
^soii akt aktive Schienen-Solltemperatur
3SOII min akt minimale aktive Schienen-Solltemperatur
3 son min minimale Schienen-Solltemperatur
Smin Schienen-Mindesttemperatur
3min Schienen-Mindesttemperatur
3E Schienenendtemperatur
3min Schienen-Mindesttemperatur
3min akt aktive Schienen-Mindesttemperatur
3 Schienentemperatur
T Schwingungsdauer
Tmin minimale Schwingungsdauer
T max maximale Schwingungsdauer
L Länge tv Wiedereinschaltverzögerung tEv Einschaltverzögerung ts Schaltzeit tx Anheizzeit txmax maximale Anheizzeit
IRBS Resonanzstrom
URBS Resonanzspannung
Indizes an anliegend ab abliegend
I linke Seite r rechte Seite f Fuß k Kopf s Spitze m mitte a außen

Claims

35 Patentansprüche
1. Verfahren zum Beheizen von Fahrwegelementen (1 ), die als Komponenten (10) zumindest eine linke Backenschiene (5I) und eine rechte Backenschiene (5r), eine linke Zungenschiene (6I) und eine rechte Zungenschiene (6r) und einen linken Gleitstuhl (7I) und einen rechten Gleitstuhl (7r) sowie eine linke Stützknagge (8I) und einen rechte Stützknagge (8r) sowie ein Gleitstuhlfach aufweisen, wobei für jeweils zumindest zwei Komponenten (10) des Fahrwegelements (1 ) zumindest je ein Heizelement (9) angeordnet ist, wobei i) ein Generator (32) zum Versorgen des zumindest einen als Induktor (16, 17, 18, 19, 21 ) ausgeführten Heizelements (9) mit Wechselstrom zur elektromagnetischen Induktion vorgesehen ist, und/oder ii) eine von einer Spannungsquelle (62) gespeiste Schwingungspaketsteuerung (87) zum Versorgen des zumindest einen als ohmscher Heizer (20) ausgeführten Heizelements (9) mit Wechselstrom zur ohmschen Erwärmung vorgesehen ist. dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung / Regelung der elektrischen Leistung des Generators (32) mit Resonanzschwingkreis durch Variieren einer Wiedereinschaltverzögerung mittels Wiedereinschaltverzögerung (tv) von Halbbrückenschalter (68, 69) nach Stromnulldurchgang des in den wenigstens einen Induktor (16, 17, 18, 19, 21 ) eingespeisten Wechselstromes erfolgt, und/oder die Steuerung / Regelung der elektrischen Leistung der ohmschen Heizer (20) über die Schwingungspaketsteuerung (87) durch Variieren der Einschaltdauer (ED) während Schwingungspaketdauer (SD) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Berechnung des zeitlichen Verlaufs der Schienentemperatur (S) und/oder der Schienenendtemperatur (SE) und/oder der Anheizzeit (tx) bis zum Erreichen der Schienen-Solltemperatur (öSoii) und/oder der Schienen-Mindesttemperatur (ömin) über einen Wärmenetzsimulator (40) aus Eingangsdaten (105) und Modellparametern für die zumindest zwei Komponenten (10) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei für das zumindest eine Heizelement (9) eine aktive Leistung (Pakt) zwischen einer minimalen Leistung und einer maximalen Leistung verstellbar ist und über mehrmalige Berechnung im Wärmenetzsimulator (40) und schrittweiser Anpassung der aktiven Leistung (Pakt) in einer Leistungssteuerung (41 ) ermittelt wird, bis die zumindest zwei Komponenten (10) des Fahrwegelements (1 ) die Schienen-Solltemperatur (Osoii) und/oder Schienen- 36
Mindesttemperatur (3min) zeitgleich und/oder innerhalb einer vorgegebenen und/oder berechneten maximalen Anheizzeit (tx) erreichen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei dem Wärmenetzsimulator (40) Prognosedaten (106) eines Wetterdienstes für eine Zeitdauer, vorzugsweise von 24 Stunden, mit zeitlichem Abstand (1 19), vorzugsweise von 1 Stunde, übergeben werden und diese durch zeitgleiche Messwerte aus lokaler Wetterstation (30) ersetzt werden, und daraus die zeitlichen Verläufe der Schienentemperatur (3) und die Anheizzeit (tx) für die Zeitdauer mit zeitlichen Abstand (1 19), vorzugsweise von 1 Stunde, für die zumindest zwei Komponenten (10) des Fahrwegelementes ermittelt werden, und wenn in der Anheizzeit (tx) die Schienen-Solltemperatur (3SOII) und/oder Schienen-Mindesttemperatur (3min) in zumindest einem zeitlichen Abstand (1 19) nicht erreicht werden kann eine minimale Schienen-Solltemperatur (3soii min) und eine minimal benötigte aktive Leistung (Pakt) ermittelt wird und die minimal benötigte aktive Leistung (Pakt) für das zumindest eine Heizelement (9) aktiviert wird, sodass die minimale Schienen-Solltemperatur (3Soii min) vor dem Zeitpunkt des Ereignisses mit jeweiligen zeitlicher Abstand (1 19) erreicht wird und ab diesem Zeitpunkt (tx) die Schienen-Solltemperatur (3Soii) und/oder Schienen-Mindesttemperatur (3min) für die zumindest zwei Komponenten (10) in der Anheizzeit (tx) sicher erreicht werden kann. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zum zeitgleichen Erreichen und/oder innerhalb in einer maximalen Anheizzeit (tx max) der Schienen- Solltemperatur ( soii) und/oder Schienen-Mindesttemperatur (3min) an den zumindest zwei Komponenten (10) die folgenden Schritte ausgeführt werden: a) Ermitteln des jeweiligen zeitlichen Verlaufs der Schienentemperatur (3) bei Nennleistung und/oder spezifischer Leistung des zumindest einen Heizelements (9) an zumindest einem Weichensegment (50) des Fahrwegelements (1 ) in einem Wärmenetzsimulator (40), b) Zuordnung der zumindest zwei Komponenten (10) zur Stellung der Zungenschiene abliegend (76) und Zungenschiene anliegend (77) durch Auswerten von Sensordaten und/oder des zeitlichen Verlaufs der Schienentemperatur (3) der zumindest zwei Komponenten (10), und/oder c) Ermitteln der Anheizzeit (tx) bis zum Erreichen der Schienen-Solltemperatur (3soii) und/oder Schienen-Mindesttemperatur (3min) an den zumindest zwei Komponenten in einem Wärmenetzsimulator (40), d) schrittweises Anpassen der aktiven Leistung (Pakt) des zumindest einen Heizelements (9) zum zeitgleichen Erreichen der Anheizzeit (tx) der Schienen- Solltemperatur (3soii) und/oder Schienen-Mindesttemperatur (3min) unter
Berücksichtigung der maximalen Leistung (Pmax) und Einhaltung der Anschlussleistung (PA) des Fahrwegelements (1 ), e) Begrenzen der Leistung (P) des Stellgliedes (79) des zumindest einen Heizelements (9) auf die aktive Leistung (Pakt), f) schrittweises Erhöhen der Schienen-Solltemperatur (Osoii) für das zumindest eine Heizelement (9) bis die Schienen-Mindesttemperatur (ömin) an zumindest einer Position (46) Kopf (k) und/oder außen (a) und/oder mitte (m) an zumindest zwei Komponenten (10) erreicht wird, g) Erzeugen von Warnmeldung vor Eintreffen des Ereignisses, f1 ) wenn die Anheizzeit der zumindest zwei Komponenten (10) größer als die maximale Anheizzeit ist f2) wenn die Schienenendtemperatur der zumindest zwei Komponenten (10) kleiner als die Schienen-Solltemperatur (Osoii) ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zur Vermeidung von Störungen durch Ausfall eines Heizelements (9) zumindest an zwei Komponenten (10) der linken Seite (2) und rechten Seite (3) der Fahrwegelemente (1 ) zumindest dieses Heizelement (9) ausgeschaltet wird und das benachbarte Heizelement (9) mit maximaler Leistung (Pmax) aktiviert und eine Wartungsmeldung erzeugt wird
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Stellung der Zungenschiene abliegend (76) und der Zungenschiene anliegend (77) und die Zuordnung der Modellparameter zur linken Seite (2) und rechten Seite (3) in dem Wärmenetzsimulator (40) durch Auswertung der Induktivität zumindest eines Induktors (16) erfolgt.
8. Einrichtung zum Beheizen von Fahrwegelementen (1 ), die als Komponenten (10) zumindest eine linke Backenschiene (5I) und eine rechte Backenschiene (5r), eine linke Zungenschiene (6I) und eine rechte Zungenschiene (6r) und einen linken Gleitstuhl (7I) und einen rechten Gleitstuhl (7r) sowie eine linke Stützknagge (8I) und einen rechte Stützknagge (8r) sowie ein Gleitstuhlfach aufweisen, wobei für jeweils zumindest zwei Komponenten (10) des Fahrwegelements (1 ) zumindest je ein Heizelement (9) angeordnet ist, wobei i) ein Generator (32) zum Versorgen des zumindest einen als Induktor (16, 17, 18, 19, 21 ) ausgeführten Heizelements (9) mit Wechselstrom zur elektromagnetischen Induktion vorgesehen ist, und/oder ii) eine von einer Spannungsquelle (62) gespeiste Schwingungspaketsteuerung (87) zum Versorgen des zumindest einen als ohmscher Heizer (20) ausgeführten Heizelements (9) mit Wechselstrom zur ohmschen Erwärmung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (32) mit einheitlicher Leistung als selbstschwingender Schwingkreis für Nennbetriebsleistung von 1 kW bis 5 kW, vorzugsweise von 2,0 kW, ausgeführt ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, wobei für das zumindest eine Heizelement (9) ein induktiver Regelkreis (35), bestehend aus Vergleichsglied, Regler (44), Leistungsbegrenzung (51 ), Leistungsquantifizierer (52) Generator (32) und Stellglied (78) Induktor (16) vorhanden ist und/oder ein ohmscher Regelkreis (34), bestehend aus Vergleichsglied, Regler (44), Einschaltverzögerung (48), Schwingungspaketsteuerung (87) und Stellglied (78) ohmsches Heizelement (20) vorhanden ist und während des Regelprozesses die Leistung des Stellgliedes (78) über Leistungssteuerung (41 ) stellbar und begrenzbar ist und die Führungsgröße über Leistungsteuerung (41 ) stellbar ist und Heizelementsensor (37) oder Schienentemperatursensor (25) über Kommunikation (43,102, 45) mit dem Vergleichsglied des Regelkreises (34, 35), der Steuereinheit (23), Prognoserechner (101 ) und Wärmenetzsimulator (40) verbunden sind, und der Wärmenetzsimulator (40) mit einem Prognoserechner (101 ) verbunden ist, und dieser aus Prognosedaten (106), mit aktuellen Eingangsdaten (105 und Wetterprognosedaten (103) in Datensätzen mit zeitlichen Abständen (1 19) aus zeitlichen Verläufen der Schienentemperatur (-9) die minimale Schienen-Solltemperatur (9 Son min) für jeden zeitlichen Abstand (1 19) die minimal benötigte Leistung des Stellgliedes, die der aktiven Leistung (P akt) durch mehrmalige Berechnung und daraus in einer Leistungssteuerung (41 ) die Stellgröße des Regelkreises auf die aktive Leistung (Pakt) mittels Leistungsbegrenzung (51 ) oder Veränderung der Einschaltdauer (TEV) einer Schwingungspaketsteuerung (87) begrenzen und die aktive Schienen-Solltemperatur (9 son akt) dem Regelkreis (34, 35) vorgeben wird, wobei die aktive Schienen-Solltemperatur (9 son akt) zum zeitlichen Abstand (119) Null der Schienen-Solltemperatur (9 Son) und zum zeitlichen Abstand (119) größer Null der minimalen Schienen-Solltemperatur (Ssoiimin) entspricht, damit bei Eintreffen des Ereignisses die Schienen-Solltemperatur (9 Son) und/oder die minimale Schienentemperatur (-9 min) sicher erreicht wird.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, wobei das Stellglied (79) aus Generator (32) mit Resonanzschwingkreis und Leistungsstufe (67) in Halbbrückenschaltung und Aufteilung des Resonanzkondensators (70) und Nullstromdetektor (65) und 39
Steuerlogik (66) zwischen Schwingkreis (73) und Halbleiterschalter (68, 69) zur Erzeugung von Wiedereinschaltverzögerung (tv) der Halbleiterschalter (68, 69) im Stomnulldurchgang des Resonanzstromes (lRes) oder im Spannungsmaximum der Resonanzspannung (U Res) und zumindest einen Induktor (16) besteht, und im Frequenzbereich von 15 kHz bis 60 kHz, vorzugsweise 15 kHz bis 30 kHz für Nennleistung (PN) zwischen 5 kW und 1 kW, vorzugsweise 2,0 kW, ausgeführt ist, wobei der Induktor (16) mit eingeschlossener Induktorwicklung (33, 38) in einer oder mehrere Lagen mit einer oder beidseitigen Anschlussstellen (78) für Reihenschaltung von Induktoren (16) mit Generator (32) über eine Anschlussleitung (59) und mit spezifischer Leistung (Ps) zwischen 225 W/m und 750 W/m, vorzugsweise mit spezifischer Leistung (Ps) von 425 W/m und der Induktorkörper (80) aus stranggezogenen Faserprofil in vorzugsweise gleicher Länge (L) wie ohmsche Heizer (20) ausgeführt ist, und/oder das Stellglied aus Schwingungspaketsteuerung (87) und zumindest ein ohmscher Heizer (20) besteht und die aktive Leistung (Pakt) über Veränderung der Einschaltdauer durch Einschaltverzögerungszeit (tv) während jeder Schwingungsdauer (SD) aus Leistungssteuerung (41 ) und Einschaltverzögerung (48) im Regelkreis (34, 35) erfolgt.
1 1 . Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei zumindest ein Heizelementsensor (37) mit Energie-Harvasting (29) und Kommunikation (43) zur Erfassung der Schienentemperatur (-9) in einen Induktorkörper (80) und/oder Anschlusskopf eines ohmschen Heizers (20) angeordnet ist.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , wobei ein Induktor (16) an der Komponente (10) mittels u-förmig abgewinkelter Anschlusskopfbefestigung (91 ) über am Induktor vorhandener Ausnehmung oder Überstand, bevorzugt über Induktoranschluss (98), beidseitig umschließt und am Schienenfuß über federnd biegsamer Bolzenschraube befestigt ist.
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